JP2005529579A - Overproduction host for polyketide biosynthesis - Google Patents

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ダニエル サンティ,
ロバート マックダニエル,
リ タン,
チャイタン コースラ,
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コーサン バイオサイエンシーズ, インコーポレイテッド
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    • C12P19/44Preparation of O-glycosides, e.g. glucosides
    • C12P19/60Preparation of O-glycosides, e.g. glucosides having an oxygen of the saccharide radical directly bound to a non-saccharide heterocyclic ring or a condensed ring system containing a non-saccharide heterocyclic ring, e.g. coumermycin, novobiocin
    • C12P19/62Preparation of O-glycosides, e.g. glucosides having an oxygen of the saccharide radical directly bound to a non-saccharide heterocyclic ring or a condensed ring system containing a non-saccharide heterocyclic ring, e.g. coumermycin, novobiocin the hetero ring having eight or more ring members and only oxygen as ring hetero atoms, e.g. erythromycin, spiramycin, nystatin

Abstract

本発明では、任意のポリケチドを産生するために使用し得、従来の株改良を行なう必要がないポリケチド過剰産生細胞を提供する。本発明は、第1ポリケチドを産生する方法であって、前記方法が、第2ポリケチドを産生するために最適化された細胞中で該第1ポリケチドを産生するPKSをコードするポリケチドシンターゼ(PKS)遺伝子を発現する工程を包含する方法を提供する。また、本発明は、第2ポリケチドの誘導体である第1ポリケチドの産生、および遺伝子が第1ポリケチドを産生するPKSを発現するように過剰産生細胞中のPKS遺伝子を改変する工程を含む。The present invention provides polyketide overproducing cells that can be used to produce any polyketide and do not require conventional strain improvement. The present invention relates to a method for producing a first polyketide, said method comprising a polyketide synthase (PKS) encoding a PKS producing said first polyketide in a cell optimized to produce a second polyketide. A method comprising the step of expressing a gene is provided. The present invention also includes the steps of producing a first polyketide that is a derivative of the second polyketide, and modifying the PKS gene in the overproducing cell so that the gene expresses PKS producing the first polyketide.

Description

【0001】
(技術分野)
本発明は、組換えDNA技術によってポリケチドを産生するための組換え方法および材料を提供する。本発明は、農業、家畜学、化学、医薬品化学、医学、分子生物学、薬理学、および獣医学の技術分野に関する。
【0002】
(背景技術)
ポリケチドは、多くのヒトの治療用、獣医学用、および農業用の生成物の開発を担う天然物の重要な類である(例えば、FK506、ロバスタチン、およびアベルメクチン)。これらの化合物を合成する酵素、ポリケチドシンターゼ類(PKS)は、既存の薬剤の改良されたアナログまたは新規ポリケチドのコンビナトリアルライブラリーのいずれかを産生することを目的とする種々の分子工学的手法の標的となっている。モジュラーPKS(例えば、図1に示す、6−デオキシエリスロノリドBシンターゼ(DEBS))は、この種のPKS酵素中に含まれる1以上の酵素ドメインの遺伝的操作によって誘導される新規ポリケチド構造を産生するために、この種の技術によって変更されてきた(前出の、米国特許第5,962,290号およびPCT公開第98/49315号を参照のこと)。
【0003】
これらの第1世代の成功以来、新規ポリケチドまたは「天然でない」天然物を産生する遺伝子操作されたPKSの迅速な増殖をもたらした(各々、本明細書中に参考として援用されるPCT公開第99/61599号、同第00/024907号、および同第00/026349号を参照のこと)。最近の研究では、約100の大環状化合物のライブラリーの作製に至っており、有意な複雑性および多様性を有するライブラリーを作製する可能性を示す(各々、本明細書中に参考として援用されるPCT公開第00/063361号および同第00/024907号を参照のこと)。
【0004】
これらの多機能酵素の触媒活性を予想通りに操作するための能力は、タンパク質工学において重要な技術的成果をあらわす。しかし、非常に大きな化合物ライブラリー(1000を越える化合物)の構築への現在の挑戦の一つは、多くの遺伝子改変されたPKS、特に、複数のドメインが改変されているPKSに関連して生成水準が減少していくことである(前出の、PCT公開第00/063361号および同第00/024907号)。PKSのより最適な操作を導くのに役立てるために、PKSの構造−活性の知識の使用が望ましいが、これらの酵素の複雑性と大きさとに起因して、現在の理解は比較的限定されており、そして進歩は緩やかである。そのため、コンビナトリアル生合成技術を進歩させるためには、酵素の構造の詳細な理解に依存しない、相補的な取り組みを開発することが重要である。
【0005】
ひとつの可能性は、天然物薬剤を産生するための商業プロセスを確立することに対して、何年間にもわたって、一般的に供されている重要な資源に影響を与える。ほとんど必然的に、広範囲にわたる細胞株改良およびプロセス開発プログラムは、天然に産生する生物からの化合物の収率を向上させるために行なわれており、しばしば力価の100倍より大きな増加を達成する。ペニシリン、マクロライド系抗生物質、およびロバスタチンを含む高価値の化合物の大量生産のために、多くの微生物が無作為の変異誘発を通して最適化されている。株改良へのこの従来の取り組みは、操作されたPKSを有する株に適用され得るが、この取り組みは、特にコンビナトリアル生合成によって作製され得る潜在的に多くの変異株を考慮すると、労働集約的なプロセスである。しかし、既存の産業的な株の過剰産生能力が、操作されたPKSから誘導されるポリケチドの力価を増加させるのに適用され得るならば、魅力的で経済的な解決策を示す。過剰産生は、スクリーニングのためには現在は少なすぎる水準で産生された化合物への接近しやすさを増大させるだけでなく、作製されるライブラリーのサイズもまた拡大し得る。その理由は、より多くの修正がPKSに導入された後、生成水準が低くなりすぎたからである。しかし、この種の株の広範囲な適用性は、過剰産生の原因となる要因が何であるか、および組換え型PKSからの産生が、過剰産生環境で増加するかどうかに依存する。
【0006】
本発明は、他の宿主細胞より顕著に高水準でポリケチドを産生することが可能な包括的な宿主細胞に対する必要性を満たす。
【0007】
(発明の要旨)
第1の実施形態では、本発明は、第1ポリケチドを産生する方法であって、前記方法が、第2ポリケチドを産生するために最適化された細胞中で該第1ポリケチドを産生するPKSをコードするポリケチドシンターゼ(PKS)遺伝子を発現する工程を包含する方法を提供する。
【0008】
ある局面では、この方法は、第2ポリケチドの誘導体である第1ポリケチドの産生、および遺伝子が第1ポリケチドを産生するPKSを発現するように過剰産生細胞中のPKS遺伝子を改変する工程を含む。
【0009】
別の局面では、この方法は、過剰産生細胞中への、第1ポリケチドを産生するPKSを発現する遺伝子の導入を含む。好ましい形態では、第2ポリケチドを産生するPKSを発現する遺伝子は、第1PKSをコードする遺伝子の導入前または後に、欠失されるかまたは他の方法で不活性化される。
【0010】
この方法の好ましい実施形態では、過剰産生細胞は、第2ポリケチドを1g/Lを越える水準で産生し、好ましくは2.5g/Lを越えて、さらに好ましくは5g/Lを越えて、そして最も好ましくは10g/Lを越えて産生する。この方法の好ましい実施形態では、過剰産生細胞は、第1ポリケチドを10mg/Lを越えた水準で産生し、好ましくは25mg/Lを越えて、さらに好ましくは50mg/Lを越えて、そして最も好ましくは100mg/Lを越えて産生する。
【0011】
別の実施形態では、本発明は、第2ポリケチドをコードする遺伝子が細胞中から消去され、第1ポリケチドを産生するPKSをコードする遺伝子が細胞内に容易に導入され得そして発現され得る、包括的な過剰産生宿主細胞を提供する。
【0012】
ある局面では、この包括的な過剰産生細胞は、エリスロマイシンを2.5g/Lを越える水準で産生するSaccharopolyspora erythraea宿主細胞から誘導され、そしてeryA遺伝子の全部もしくは実質的に全部の欠失によってまたはDEBS PKSのモジュール1のケトシンターゼ(KS)ドメインの突然変異不活性化のいずれかによって修正される。
【0013】
別の実施形態では、本発明は、第1ポリケチドを産生するPKSを発現するために修正された包括的な過剰産生宿主細胞を提供する。好ましい実施形態では、宿主細胞は、株の形質転換を促進する組み込みファージphiC31のための結合部位を含む。ある実施形態では、宿主細胞は、この種の結合部位を含むための遺伝的変更によって修正される。
【0014】
ある面では、この包括的な過剰産生宿主細胞は、エリスロマイシンを2.5g/Lを越える水準で産生するSaccharopolyspora erythraea宿主細胞から誘導され、10,11−アンヒドロ−6−デオキシエリスロノリドBを産生するPKSをコードするようにeryA遺伝子を変更することによって、またはDEBS PKSのモジュール1のケトシンターゼ(KS)ドメインの突然変異不活性化のいずれかによって修正される。
【0015】
本発明のこれらおよび他の実施形態、様式、および局面は、以下の説明、実施例、および添付の特許請求の範囲中でより詳細に記載される。
【0016】
(発明の詳細な説明)
第1の実施形態で、本発明は、第1ポリケチドを産生する方法であって、前述の方法が、第2ポリケチドを産生するために最適化された細胞中で第1ポリケチドを産生するポリケチドシンターゼ(PKS)をコードするPKS遺伝子を発現する工程を包含する方法を提供する。この方法の好ましい実施形態では、過剰産生細胞は、第2ポリケチドを1g/Lを超える水準で産生し、好ましくは2.5g/Lを超えて、より好ましくは5g/Lを越えて、そして最も好ましくは10g/Lを越えて産生する。この方法の好ましい実施形態では、過剰産生細胞は、第1ポリケチドを10mg/Lを超える水準で産生し、好ましくは25mg/Lを超えて、より好ましくは50mg/Lを超えて、そして最も好ましくは100mg/Lを越えて産生する。
【0017】
薬学および農業におけるポリケチドの価値、およびポリケチドが天然で発見される細胞中で産生されるポリケチドの量が典型的に少量であるため、細胞中でのポリケチドの産生を増加させるために、顕著な努力が払われてきた。従って、ポリケチドを作製する多くの「過剰産生」細胞がある。しかし、ほんの一例として、エリスロマイシンおよび半合成誘導体は、抗感染剤として重要な薬学上の用途を有する。DEBS(エリスロマイシンの大環状ラクトン中心である6−デオキシエリスロノリドB(6−dEB、図1中の化合物1)を合成する)は、PKSのモジュラー類に属する。そのように呼ばれる理由は、合成のために必要な酵素ドメインが、触媒ドメインのモジュラーの繰り返しによって組織されるからである(図1)。DEBSがそれから本来クローン化された生物、Saccharopolyspora erythraea NRRL2338は、代表的に標準の実験発酵においてエリスロマイシンAを100〜200mg/Lの間で産生する。ヒドロキシル化およびグリコシル化経路がその中に存在しないStreptomyces coelicolorまたはS.lividansのいずれかにおけるDEBSの異種発現は、最適条件下で約50〜100mg/Lの6−dEB(1)を産出し、これはNRRL2338によって産生される1の量と近い(本明細書において参考として援用される米国特許第5,672,491号を参照のこと)。対照的に、多くの産業的に最適化されたS.erythraeaの株は、エリスロマイシンを10g/Lを超えて産生する。
【0018】
しかし、この種の過剰産生に関する生化学的な理由は、公知でない。あり得る理由の一つとしては、正常な産生細胞と比較して、過剰産生細胞は、PKSの発現をコードする遺伝子中に1以上の変異を有していることである。他の理由は、過剰産生細胞は、単にポリケチド生合成において使用される前駆体化合物をより多く産生することである。過剰産生の理由がPKS遺伝子中に存在する場合、第1ポリケチドの過剰産生細胞が第2ポリケチドの過剰産生細胞であることは可能性が低い。
【0019】
本発明の利点を示すために、バイオリアクター発酵中で少なくともエリスロマイシンを7g/L産生することができるK1と命名されたSaccharopolyspora erythraeaの過剰産生株を、使用した。上述のように、産業的な微生物における過剰産生の決定因子についての報告は驚くほど少ない。収量の向上は、フラックス、対応する遺伝子発現のアップレギュレーション、または基質(ポリケチドの場合におけるアシルCoAチオエステル)のより高い細胞内貯留を増加する生合成酵素における変異の結果生じる。S.erythraeaエリスロマイシン過剰産生細胞にとって、Saccharopolyspora erythraeaの過剰産生細胞における高い生産水準の最も有望な理由として、後者2つの理由の組み合わせが残り、力価の大幅な増加が単にDEBSの過剰発現のみの結果であると考えることは可能性が低い。過剰産生細胞株が動力学的に改良されたPKSを保有していなかったことを示すために、PKS遺伝子をStreptomyces lividansおよびStreptomyces coelicolor中でクローン化および発現して、そして産生水準を野生型S.erythraea株由来で株単離されたDEBSと比較した。この結果が、PKSにおける変異が過剰産生の原因である可能性は低く、そしてこの株中の他の生物からのPKSの発現が、親株と比較してより高い力価を導く原因であることを示唆した。
【0020】
産業的なSaccharopolyspora erythraea宿主の改良された産生特徴のいくつかまたは全部が、PKSの活性全体または一部分によるものであるかどうかを調べるために、PKSをNRRL2338株由来のDEBSと比較した。さらに、この産業的な株は、多段階の変異誘発から産生されるため、DEBS遺伝子中に変異が導入された結果としてより高い生合成のスループットを得ることが可能である。もしそうであれば、Streptomyces coelicolorまたはS.lividans中で、変異PKS遺伝子を用いることによって、DEBSを伴って以前に作製されたこの種の異種宿主中で産生したエリスロマイシンおよび関連するマクロライドの力価を増加する株になり得る。過剰産生株由来のDEBS遺伝子の完全なセットは、潜在的な変異を同定するために配列決定されるが、遺伝子クラスターの大きさ(>30kb)が、この取り組みを難しくしている。
【0021】
代わりに、DEBSをコードする3種の遺伝子、eryAI〜IIIは、保存された認識部位を使用して、過剰産生株からクローン化し、そしてS.erythraea NRRL2338から得られたDEBSの異種発現のために使用される同様のStreptomyces発現ベクター中に配置した。得られたプラスミド、pKOS108−04は、eryAI〜III遺伝子の供給源以外は、pKAO127’kan’(野生型DEBSを含む)と一致する。いずれの場合でも、遺伝子の発現は、発現プラスミド上でactIプロモーターおよびactII−4調節タンパク質によって制御される(本明細書において参考として援用される米国特許第5,672,491号を参照のこと)。pKOS108−04およびpKAO127’kan’の両方を、S.lividans K4−114およびS.coelicolor CH999を転換するために使用した。多発性形質転換株(各2〜4)を並行して増殖し、そして6−dEBの産生プロフィールを決定した。S.lividansおよびS.Coelicolorの両方において、2種の異なるS.erythraea株由来のDEBS遺伝子は、以下の実施例に記載される培養条件下で当量の6−dEB(約30〜40mg/L)を産出した。
【0022】
過剰産生宿主由来のPKSで、ポリケチド力価を増加することができないことは、この株由来のDEBSが野生型DEBSと触媒的に異なってはいないが、6−dEB産生水準がこれらの株において利用可能な前駆体の量によって制限されている可能性を暗示している。この実験結果は、異種宿主におけるそのPKSの使用としてよりも過剰産生の宿主としての産業的な株の潜在的利点を強調する。従って、本発明の一つの利点は、あるポリケチドのための過剰産生株が、異なるポリケチドのためのPKS遺伝子を発現するために遺伝的に変更される場合に理解される。
【0023】
1つの局面において、この方法は第2ポリケチドの誘導体であるポリケチドの産生および第1ポリケチドを産生するPKSを発現するこれらの遺伝子のような過剰産生細胞におけるPKS遺伝子の変更を含む。本発明のこの局面は、コンビナトリアル生合成のために最適化されたSaccharopolyspora erythraeaのエリスロマイシン過剰産生株によって説明される。DEBSの変異株は、対応するポリケチドの構造を変化させる触媒的なドメイン置換によってこの宿主中で構築された。Streptomyces lividans(最適化されていない宿主である)において発現された同様の変異株DEBSの発現と比較すると、変更されたポリケチドの産生量は格段に高かった。
【0024】
ポリケチドの生合成を操作するための多くの戦略は、DEBSおよび他のモジュラーPKSを用いることで達成された。これらはドメインおよびモジュールの不活性化、欠失、および置換、タンパク質融合によるハイブリッドモジュールの構築、および異なる原料からのPKSサブユニット間の相補性を含む。これらの実験は、Streptomyces coelicolor、S.lividans、またはS.erythraeaの比較的低い産出株のいずれかにおいて実施される。本発明に基づき、これらの株においてDEBSを改変するために通常用いられるPKS戦略によって産生されたポリケチドの力価は、過剰産生株において実質的に増強され得る。
【0025】
この利点を説明するために、過剰産生のSaccharopolyspora erythraea株において代表的なPKSドメイン置換を構築した。同種二重再結合によって過剰産生宿主の染色体内で、DEBSの増量モジュール2(eryKR2)とラパマイシンPKSの増量モジュール4由来のDHおよびKRドメイン(rapDH/KR4)とにおいてケトレダクターゼ(ketoreductase)ドメインの交換が設計された(図2)。この特殊な変異が選択されたのは、ドメイン置換の全身的スクリーニングにおいて産生される機能的単一変異株の産生が中でも最も低く、そのため低い収量のPKSを向上させる能力を厳格に試験するためである。プラスミドに基づくDEBS系において改変され、そしてStreptomyces lividansにおいて発現される場合、生じる株(S.lividans K4−114/pKOS11−64)は、新しく導入されたDH活性の結果、約0.3mg/Lの6−dEBの10,11−アンヒドロ類似物3を産生した(図2)。本明細書において参考として援用される両PCT公開番号 98/49315号および00/02497号を参照のこと)
置換を含むSaccharopolyspora erythraea株K39−10(表1)は、大量のエリスロマイシン類似体の混合物(予想された10,11−アンヒドロ部分を全て含むが、ヒドロキシル化パターンにおいて異なっている)を産生した(図2)。最も量の多い生成物は、10,11−アンヒドロエリスロマイシンA(化合物4)、B(化合物5)、およびD(化合物6)、および6−デオキシ−10,11−アンヒドロエリスロマイシンA(化合物7)、B(化合物8)、およびD(化合物9)であった。化合物4、5、7、および9の構造を確認するため、そして化合物5および7の水酸基の位置を決定するために、H−NMR分光法およびH−TOCSY相関を使用した。これらの産生された化合物の比は、培地依存であり得る。エリスロマイシンAのB(12−デオキシ)種およびD(4’’−デスメチル)種は、しばしばS.erythraea株の発酵培養液中に存在するが、6−デオキシ化合物は通常検出されない。EryFは、ポリケチドアグリコンのC−6炭素でのヒドロキシル化を引き起こすシトクロムP450である。K39−10における6−デオキシ化合物の存在は、EryFのインビトロでのヒドロキシラーゼ活性が10,11−二重結合を有する基質に対しては乏しいという以前の観察と一致している。
【0026】
R5発酵培地またはF1発酵培地のいずれかからのエリスロマイシンの全収量は、約50mg/Lであった。これは改変されたPKSによって合成された大環状ラクトン生成物(化合物3)の約26mg/Lに相当する。ポリケチドの収量は、親株によって産生されたエリスロマイシンの量と比較して顕著に減少したけれども、Streptomyces lividansにおける化合物3の産生と比較すると、力価でほぼ100倍の増加となる。この相対的な増加は、2種の異なる宿主中の改変されていないDEBS由来の6−dEB産生における相対的な増加と整合し、そして過剰産生の利点のほとんどまたは全ては、変異株PKSに翻訳されることを実証している。
【0027】
高いポリケチド産生株の使用がポリケチドの大きなコンビナトリアルライブラリーの構築への一般的な取り組みであることを実証するこれらの実験によって、二つの重要な発見が得られた。一つ目は、変異株PKS由来の産生水準は、過剰産生環境において発現した場合に顕著に増加し得ることである。これは作製される多くの他の単一改変体と比較して、比較的少量の化合物を産出するドメイン置換を有する例において示されている。従って、この種の収量の増加は、野生型と比較して複数の修正を有するPKS酵素を含む株を含んで、おそらく普遍的に観測される。この株のための効率的な遺伝的用具を用いて、既存のマクロライドライブラリーを、スクリーニングおよび入手可能な化合物の数を拡大するために適切な化合物の力価を作製するS.erythraea内に移動することが比較的好都合である。
【0028】
また、このSaccharopolyspora erythraeaの株における過剰産生の原因が宿主の環境にあり、PKS遺伝子内の変異からではないように見えることをこれらの実験は示している。これはまた、異種PKSからのモジュールまたはドメインが、過剰産生宿主において、より高い力価を作製することを意味する。これは重要である。なぜなら、PKS操作のための機能的単位は、異なる生物からクローン化された多くのPKSから入手可能だからである。そのうえ、低産生PKSの完全な経路(例えば、抗腫瘍ポリケチドエポシロン(epothilone)のための経路)は、株中で入手可能な十分な基質を想定し、そしてそれによって従来の株を改良する必要性を回避することで異種発現によって改良され得ることを示唆する。
【0029】
従って、ポリケチド過剰産生株を、良好な量で設計されたPKS由来のポリケチド誘導体を産生するために使用し得る。明細書中に示すように、産業的なエリスロマイシン産生株の使用は、小スケール産生培養(<1L)から生物学的アッセイ法のために十分な量のエリスロマイシン誘導体の産生を導き、そして適度のスケールアップ(100〜1000L)によって、化学的修飾による最適化を導くために十分な量のエリスロマイシン誘導体の産生を導く。従って本発明は、良好な収率でより大きな化合物ライブラリーを作製する能力を翻訳するコンビナトリアル生合成戦略によって調製されるポリケチドライブラリーからの力価の「全面的な」増加を達成するための、単純で実験に基づいた方法を提供する。さらに、ポリケチド遺伝子クラスターの識別およびクローン化が、比較的少ない時間で達成され得るため、プロセス展開時間および過剰産生宿主における異種発現によるポリケチドを導く努力を顕著に短縮することが可能となる。さらに、非常に高い産生水準のために最適化された宿主を使用することによって、改変されたPKS由来のポリケチドの力価の減少を奪還することが可能である。
【0030】
本発明の方法は、過剰産生細胞内の既存のPKS遺伝子の変更だけではなく、過剰産生細胞中への新規PKS遺伝子の導入も含みうる。多数のモジュールのPKS遺伝子はクローン化され、そして本発明の方法に基づく使用のために入手可能である。PKS酵素によって産生されたポリケチドは、しばしばテーラーリング酵素(tailoring enzyme)と呼ばれるポリケチド修飾酵素によってPKSのヒドロキシル化ポリケチド生成物、エポキシ化ポリケチド生成物、メチル化ポリケチド生成物、およびグリコシル化ポリケチド生成物へとさらに修飾される。本発明の方法に基づいて、これらの遺伝子はまた、過剰産生宿主細胞内に導入し得、目的の修飾されたポリケチドを調製する。以下の表は例示的なPKS遺伝子を記載および本発明に基づいて利用し得る対応する酵素の引例を列挙する。また、本発明の組換え型DNA化合物を作製するために用いられ得るポリケチドテーラリング酵素および修飾酵素および対応する遺伝子を記載する種々の引例を示す。
【0031】
【表1】

Figure 2005529579
Figure 2005529579
ポリケチド修飾のための遺伝子を含むかまたは含まない上述の遺伝子のうち任意のものは、もしあれば、本発明の過剰産生宿主細胞中で用いられ得る。さらに、本発明の宿主細胞は、所望のPKSの一部および修飾酵素遺伝子クラスターを各々含む複数ベクターとの形質転換によって構築され得る:本明細書中で参考として援用される、米国特許第6,033,883号を参照のこと。
【0032】
好ましい様式において、目的のPKSをコードする遺伝子の導入の前または後に、過剰生産株の内在性のPKS遺伝子は、欠失されるかまたはそうでなければ不活性化される。ある重要な面では、本発明は「過剰産生された」ポリケチドを産生するPKSをコードする遺伝子が欠失されて、そして目的のPKSをコードする遺伝子が容易に導入および発現され得る遺伝的過剰産生宿主細胞を提供する。ある好ましい実施形態では、この遺伝的過剰産生宿主細胞は、エリスロマイシンを2.5g/Lを越えるレベルで産生するSaccharopolyspora erythraea宿主細胞から誘導され、そしてeryA遺伝子の全部もしくは実質的に全部の欠失またはDEBS PKSのモジュール1のケトシンターゼ(KS)ドメインの変異的不活性化のいずれかによって修飾される。
【0033】
本発明のこの局面を説明するために、ポリケチドシンターゼDEBS上の遺伝ブロックが、6−デオキシエリスロノリドの非産生を生じるSaccharopolyspora erythraeaのエリスロマイシン過剰産生株に導入された。このブロックされた株におけるオレアンドマイシンPKSのoleAI遺伝子の発現は、15−ノル−エリスロマイシンAを産生することが見い出された。このブロックされた変異株の培養物に合成分子が外因性付加することによって、新規な生物学的に活性なエリスロマイシンアナログのC−13誘導体の産生が生じた。この後者の戦略は、前駆体指向型生合成と呼ばれ、PKSにおける変異の下流に化学的に指向されたプライミング単位または中間体を組込み得る生合成的にブロックされたPKS変異株を利用する。6−dEBの多数のC−13誘導体は、Streptomyces coelicolorにおいて、PKSに合成的部分鎖の組込むことにより、DEBSのモジュール1のケトシンターゼ(KS1)に変異を導入することによって、産生され得る(本明細書中で参考として援用される、PCT公報99/03986号および同97/02358号を参照のこと)。しかし、この方法論がS.erythraeaの過剰産生株において実行され得る場合、より多くのポリケチドが作製されるというだけではなく、完全にグリコシル化およびヒドロキシル化された化合物が産生されるという点で有利である。
【0034】
この目的を達成するため、プラスミドpKOS40−57を送達ベクターとして構築し、DEBS1モジュール1のKS1ドメインに活性部位Cys729>Ala変異を導入した(前出の、PCT公報99/03986号および同97/02358号に記載されている)。不活性なKS1ドメインは、開始単位の増殖を防ぎ、そして外因性の合成のジケチドチオールエステルがPKSへ導入されるのを可能にする(本明細書中で参考として援用されるPCT公報00/044717を参照のこと)。Saccharopolyspora erythraea K1プロトプラストはpKOS40−57で形質転換され、そしてBacillus subtilisに対して生物活性を有さない8種の形質転換株が得られた。pKOS40−57の組込みが染色体の適切な場所で起こっていることを確認するために、PCR分析用に形質転換株の一つからゲノムDNAを抽出した。次いで、二重交差現象を介してのプラスミドの立ち退き(eviction)を可能にする非選択的な成長が行われた。アプラマイシン(apramycin)に過敏なコロニーの5分の3が所望のKS1ヌル(KS1°)変異株にあることが見い出された。K39−14と称される1つのこのようなKS1°ヌル株は、検出可能なエリスロマイシンまたは6−dEB様産物をいずれも産生せず、R2YE培地中で増殖させた場合に生物活性を示さなかった。このK39−14株は、KS1ヌル変異株を補完するoleAI遺伝子の異種発現のため、および新規エリスロマイシンアナログの前駆体指向型生合成のために使用された。
【0035】
異種モジュラーPKS由来のサブユニットは、混成ポリケチドを作製するために機能的に組み立てられ得る。例えば、DEBS3サブユニットおよびOleA3サブユニット(8,8a−デオキシオレアンドリドPKSのサブユニット3)の両方は、ピクロマイシンPikAIIIおよびPikAIVサブユニットを完全に補完し得る(本明細書中で参考として援用される、PCT公報99/61599号を参照のこと)。Saccharopolyspora erythraea由来の野生型DEBSのローディングドメインは、低レベルの15−ノル−エリスロマイシンcを形成するためのアセテートを受容することが示されている。DEBSがStreptomyces coelicolor中で発現して15−ノル−6dEBの(1:5の6dEB)を形成する場合に、同様の結果が観察された(本明細書内で参考として援用される、米国特許第5,672,491号を参照のこと)。Ole PKSは8,8a−デオキシオレアドリドを産生し、これはプライミング単位中の1つの炭素のみだけDEBSの産物である、6−dEBとは異なっている。Ole PKSのサブユニットおよびDEBSのサブユニットは、有意な構造的相違を含む:これらは、機能的には同様であるにもかかわらず、DEBSとOle PKSとの間で45%しか同一ではない。
【0036】
発現プラスミドpKOS39−110(これは、ermEプロモーターの制御下で、oleAI遺伝子を運搬する)の発現が利用可能であり(本明細書中で参考として援用される、PCT公報99/061599号を参照のこと)、そしてΦC31結合部位を使用して、染色体内への組込みによって株K39−14内にoleAI遺伝子を導入するのが好都合であった。Saccharopolyspora erythraea K39−14のプラスミドとpKOS39−110での形質転換は、株内で生じ、これは副生成物15−ノル−エリスロマイシンCを伴って、15−ノル−エリスロマイシンA約5〜10mg/Lの抗菌活性を示した。マススペクトルおよびLC保持時間は既知の標準と一致した。m/z706でのプロトン化分子イオン種は、15−ノル−エリスロマイシンCの提案された構造と一致している。この結果は、OleAIがある程度までDEBS1を補完し得ることを示している。また、S.erythraeaにおけるこの異種PKSサブユニットを発現する能力はまた、異種PKS酵素が本発明の包括的な過剰産生宿主細胞中で産生され得ることを示している。
【0037】
前駆体指向型生合成は、DEBSのモジュール1のケトシンターゼ(KS1)に変異を導入し、そしてジケチド前駆体の化学的に合成されたN−アセチルシステアミン(NAC)チオエステルを発酵物に添加することによって、Streptomyces coelicolor中で、6−dEBの多くのC−13誘導体を作製するために使用される。前駆体指向型生合成によるエリスロマイシンアナログの産生を単純化するためおよびポリケチドからのエリスロマイシンA類似体への産生を完全にプロセスするために、株K39−14を作製するSaccharopolyspora erythraea過剰産生株の染色体中にKS1°変異を導入し、これを、図3中に示すプロピルNACジケチド(4)またはビニルNACジケチド(5)0.25g/Lの存在下、F1培地で発酵させた(本明細書中で参考として援用される、Brunkerら,1998,Microbiol.144:2441〜2448を参照のこと)。この株は、各々、対応する15−メチルエリスロマイシンまたは14,15−デヒドロエリスロマイシン誘導体(図2の化合物6〜8および9〜11)を10〜20mg/Lの間で産生した。両エリスロマイシンアナログはBacillus subtilisに対して抗菌活性を示した。15−メチルエリスロマイシンAの構造は、NMRによって決定した。
【0038】
エリスロマイシンの量は、おそらく膜移送障壁のために、この株の潜在的な能力よりもかなり低いものであるが、これらの収率は小培養量からの生物学的スクリーニングには充分である。化学的に合成され得る合成ジケチドの可能な配列が与えられれば、簡便な様式でより多くのエリスロマイシン誘導体を生成し、スクリーニングすることが可能である。
【0039】
本発明の方法に基づき、天然では株によって主生成物として産生されない種々のエリスロマイシン化合物を産生するために、Saccharopolyspora erythraeaの過剰産生株を使用する。S.erythraea過剰産生株におけるKS1 ヌル変異を含むDEBS1変異株のOleAI相補は、2種の異なるPKS酵素複合体から誘導されるタンパク質からなる機能的異種PKSであって未修飾の過剰産生株によっては主生成物として作製されないポリケチドを産生するPKSの例を提供する。S.erythraea過剰産生株における10,11−アンヒドロエリスロマイシンの産生は、2種の異なるPKS酵素から誘導される酵素ドメインからなるモジュールを含むタンパク質を含む機能的異種PKS複合体であって未修飾の過剰産生株によっては作製されないポリケチドを産生するPKS複合体の例を提供する。KS1ヌル変異を含むS.erythraea過剰産生株におけるジケチド補給によるポリケチドの産生は、PKSのための合成化学スターターを提供することによる野生型PKSによって産生されるポリケチドと異なるポリケチドを産生するために使用され得る非機能的異種PKS複合体の例を提供する。
【0040】
従って、本発明は組換え宿主細胞において多くの異なるポリケチドを産生するための有用な方法および宿主細胞を提供する。しかし、高い力価のポリケチドを産生するために変異誘発を経て最適化されたポリケチド産生宿主細胞が形質転換されにくいことは公知である。さらに、このような細胞で観測される形質転換の低い効率は、細胞を形質転換するために使用されるベクターのサイズが増加するにつれて顕著に減少する。非常に大きなベクターでは、形質転換は、しばしば単純に可能ではない。通常PKS遺伝子が非常に大きい(>30kb)ために、この低い形質転換効率は、本発明の利点を実現するのに顕著な障壁となる。この形質転換障壁は宿主における制限−修飾系によるものであり得るといういくつかの証拠および推測がある。
【0041】
接合媒介性の形質転換は、この障壁をある程度克服し得る;これは制限−修飾系への接合において生じる単鎖DNAのより低い感受性の結果であり得る。しかし、接合媒介性の形質転換であっても、相同組換えによって宿主細胞の染色体内に組み込まれる非常に大きなベクターでは成功し得ない。この障壁は相同組換え事象の性質の結果であり得、制限−修飾系によって送達されたDNAの開裂と比較すると低くあり得る。
【0042】
ファージからの結合部位(attP)を含むベクター(例えば、phiC31、pSAM、およびpSLPベクター系のベクター)は、ファージのインテグラーゼ酵素によって媒介される機構によって宿主細胞の染色体に組み込まれ得る。しかし、この種のベクターがSaccharopolyspora erythraea宿主細胞での接合媒介性の形質転換に使用された場合、上述のように非常に低い形質転換効率が観測された。接合完了体(exconjugant)は、DNA配列分析によって分析され、ベクターが、他の生物中のファージによって利用され、そして以前確認された好ましい結合部位の配列(attB配列)とは配列において異なる部位に無作為に組み込まれたことを発見した。この低い形質転換効率の障壁は、attB配列を含むように宿主細胞の染色体を変化させることによって克服された。得られた組換え宿主細胞は、PKS遺伝子クラスター全体を含む非常に大きなベクターとであっても、phiC31結合部位配列を含むベクターとの接合によって、比較的高い形質転換効率で形質転換され得る。
【0043】
従って、ある実施形態において、本発明はE.Coliまたはヒト宿主細胞以外の組換え宿主細胞を提供し、この組換え細胞は、この細胞が誘導される細胞と比較して1以上のattB部位を含むように改変されている(本明細書中で参考として援用される、Thorpeら,1998,Proc.Natl.Acad.Sci.USA 95:5505〜5510,およびGrothら,2000,Proc.Natl.Acad.Sci.USA 97:5995〜6000を参照のこと)。複数の結合部位を含むように修飾された細胞は、染色体の異なる場所に複数の遺伝子を導入する目的のために好ましくあり得る。1つの実施形態において、変異誘発によって最適化された細胞からこの細胞が誘導され、高レベルでポリケチドを産生する。別の実施形態において、この細胞は、NRRL2338のようなSaccharopolyspora erythraea宿主細胞またはエリスロマイシンを2.5g/Lを越えて産生する細胞である。
【0044】
別の実施形態において、本発明は、phiC31結合部位を含むように改変された細胞の形質転換体を得るための方法を提供し、この方法は、前述の細胞と、相補的な結合部位(attBとattPは互いに相補的である)を含むベクターを含む細胞とをインテグラーゼ(これはphiC31インテグラーゼであり得、従って遺伝子が、ベクター中または宿主細胞中にあり得、そして異種プロモーターの制御下であり得る)存在下で、接合する工程を包含する。一方attPは、典型的にベクターおよび染色体上のattB上で使用されるが、一つはまた本発明の方法に従って、染色体中にattPをそしてベクター上にattBを配置し得る。別の実施形態において、本発明はこのような方法によって産生された細胞を提供する。好ましい実施形態において、このような方法によって産生された細胞は、前述の接合工程の前に細胞によって産生されないポリケチドを産生する。
【0045】
以下の実施例は本発明を説明する目的のために与えられ、本発明または特許請求の範囲を限定するものとして解釈すべきではない。
【0046】
(実施例1)
(株、培地条件、およびDNA操作)
DNA操作はEscherichia coli XL1−Blue(Stratagene)中で行なった。Saccharopolyspora erythraea過剰産生株は、エリスロマイシンを7g/Lを越えて産生した(株K1)。この株の形質転換を、YEMEの代わりにTSB培地を用いた以外は、標準Streptomycesプロトプラスト法に従って行った。形質転換体は、R2YE再生プレートまたはR5再生プレート上のチオストレプトン(thiostrepton)(50μg/mL)またはアプラマイシン(apramycin)(100μg/mL)とともに選別した。
【0047】
(実施例2)
(Saccharopolyspora erythraea KS1ヌル変異株の構築)
プラスミドpKOS40−57を、DEBS KS1ヌル変異体(アラニンとDEBS KS1ドメインの活性部位システインとの特殊な置換;本明細書中で参考として援用される、Kaoら,1996,Biochemistry 35:12363〜12368を参照のこと)を含む4.0kb NdeI−EcoRVフラグメントを、送達ベクターとしての自殺ベクター(アプラマイシン耐性付与遺伝子を含むpUC18誘導体)に導入することによって構築した。プラスミドpKOS40−57は、Saccharopolyspora erythraea K1に形質転換された。アプラマイシン耐性株 (K1−1)をアプラマイシン(100μg/ml)を含むTSB培地内で増殖させて、耐性を確認し、そして組み込みを染色体DNAのPCR分析によって確認した。二重交差決定のために、形質転換株をTSB倍地中でアプラマイシンなしで2回継代した。プロトプラストをR2YEプレート上で再生した。再生プレートで生じる個々のコロニーを、次いで、アプラマイシンへの感受性についてスクリーニングした。所望の変異を含むコロニーは、エリスロマイシンを産生しないことが実証され、S.erythraea K39−14と命名された。上述のように、oleAI遺伝子をコードするプラスミドpKOS39−110と形質転換した場合、K39−14株は15−ノルエリスロマイシンを産生し、そしてプロピルNACジケチド(図3の化合物4)を与えた場合、15−メチル−エリスロマイシンを産生した。
【0048】
(実施例3)
(エリスロマイシン誘導体の産生および分析)
本明細書中で記載されるSaccharopolyspora erythraea株を、R2YE 25mL中で30℃で5日間増殖させた。培養物を、エリスロマイシン誘導体についてHPLC/MSによって分析した。構造決定は、操作された株に関して予測された構造とマススペクトルとHPLCプロフィールとの間の一致に主として基づいた。マススペクトルおよびHPLCに関して、S.erythraea野生型株を参照として使用した。また、実施例4に記載されるように、15−メチルエリスロマイシンAのNMRスペクトルによってさらなる構造確認が行なわれた。生物活性を、指標菌としてのBacillus subtilisを用いた寒天プレート拡散アッセイによって評価し、阻害領域を視覚化するために37℃で一晩中インキュベートした。
【0049】
(実施例4)
(15−メチルエリスロマイシンAの特性決定)
Saccharopolyspora erythraea株K39−114を、実施例3に記載されるように、発酵開始24時間後に培養物に与えられた0.25g/LのプロピルNACジケチド(図3の化合物4)存在下で、発酵させた。発酵から抽出された15−メチルエリスロマイシンAを、特性決定のためにトルエン/アセトン 1:1を用いるカラムクロマトグラフィーによってさらに精製して、白色固体を得た。Hおよび13Cスペクトルを、400MHz(Bruker DRX)でCDCl溶液中で記録した。薄層クロマトグラフィーをシリカゲル60でプレコートされたガラス上で行い、そしてスポットをバニリン染色によって視覚化し、次いで、加熱した。NMR値:H NMR(400MHz,CDCl)δ 5.14(dd,1H,J=2.0,8.8),4.91(d,1H,J=4.8),4.44(d,1H,J=7.2),4.05−3.98(m,2H),3.84(br s,1H),3.60(d,1H,J=7.6),3.54−3.47(m,1H),3.34(s,3H),3.25(dd,1H,J=7.2,10.4,),3.12(br q,1H,J=7.0),3.04(d,1H,J=9.6),2.90(dq,1H,J=7.2,9.1),2.77−2.67(m,1H),2.52(ddd,1H,J=4.4,9.6,12.4),2.43−2.37(m,1H),2.34(s,6H),2.05−1.90(m,2H),1.90−1.80(m,2H),1.79−1.55(m,3H),1.50(s,3H),1.36−1.09(m,27H),0.94(t,3H,J=7.2)。13C NMR(100MHz,CDCl)δ 221.2,174.6,102.2,95.4,82.5,79.0,77.0,76.3,76.0,74.1,73.5,71.6,69.9,68.0,64.6,64.5,48.5,44.2,43.9,39.2,38.5,37.6,36.8,34.0,29.2,27.8,26.1,20.5,20.4,18.5,17.7,17.3,15.2,14.9,13.0,11.0,8.1。
【0050】
(実施例5)
(ネイティブなPKS遺伝子を欠失している包括的産生宿主)
Saccharopolyspora erythraea高プロデューサの収量を向上する多くの変異がPKS遺伝子以外の染色体領域に存在し、前駆体プール、調節プロセス、栄養の利用、そして他の要因に影響を及ぼす。このような収量を向上する変異は、変異体および異種PKS遺伝子によってコードされたポリケチドの過剰産生のための包括的な宿主として株を使用することによって、直接的および速やかに開発され得る。このことは主に、特定のポリケチドを作製するためにPKSおよび補酵素によって使用される全ての出発物質を供給する能力を要求する。運良く、モジュラーPKSは全て、単純なカルボン酸の1以上の小さな基(例えば、アセテート、プロピオネートまたはブチレートならびにこれらの2−カルボキシ誘導体)を使用して、炭素骨格およびジデオキシヘキソースまたはトリデオキシヘキソース(主要なポリケチドのグリコシドを形成するための1−チミジンジホスホグルコースから作製される)を構築する。他のテーラーリング(tailoring)反応は全て、ほとんどの細菌性細胞中で利用可能な共通の補助因子を含む。従って、S.erythraeaは、出発物質の全てまたはほとんどを提供し得る;特定のポリケチドにとって必要とされる特殊な出発物質のいくつかは、遺伝子操作によって導入される。
【0051】
Saccharopolyspora erythraeaエリスロマイシン過剰産生体由来のDEBS遺伝子を、非過剰産生株由来の異種PKSで交換し得る。導入されたPKS遺伝子によって作製された代謝産物の増強された産生は、他のポリケチドの産生のために開発され得る代謝産物過剰産生のための因子を宿主が実際に含むことを実証し得る。異種遺伝子をS.erythraea過剰産生株に導入する前に、ネイティブのDEBS遺伝子を最初に欠失し得る。以下にさらに詳細に記載されているように、これは2段階相同組換え手順によって達成された。DEBS遺伝子に隣接する配列(約1.5kb)は、PCRによって増幅され、そして選択マーカー(アプラマイシン耐性のための)を有する自殺ベクターにクローン化された。この株を、プラスミド、および選択可マーカーを用いることによって選択された単一交差を用いて形質転換した。コロニーを選択せずに増殖させ、そして二重交差組換えを示すアプラマイシン耐性の損失についてスクリーニングした。二重交差候補の遺伝子型を、PCRを用いた分析、エリスロマイシン産生の損失、およびサザンブロットハイブリダイゼーションによって確認した。このように確認された株の一つをK97−71と命名された。
【0052】
S.erythraea K97−71は3種のeryA遺伝子の染色体欠失およびPseudomonas aeruginosa由来のxylE遺伝子の挿入を染色体中の適所に含む。この株を作製するために、プラスミドpKOS97−49bを最初に以下のように構築した。eryA遺伝子をフランキングした2種のフラグメントは、S.erythraeaゲノムDNAから以下のようなプライマーを使用してPCR増幅した(SphI、HindIII、BamH IおよびEcoRI制限部位は下線が引かれている):
eryAI左フランク順方向:
5’−TTTGCATGCGGCCACGCGCACGTCGTGACC,
eryAI左フランク逆方向:
5’−TTAAGCTTCATATGTCCCCCTACTCGACGACCAC;
eryAIII右フランク順方向:
5’−TTTGGATCCGGCGGAGGGAATACATGACCACGAC,
eryAIII右フランク逆方向:
5’−TTTGAATTCCCGCTCGCTGAAGTCCAGGCT。
次いで2種のフラグメントを、下線を引かれた制限部位およびpSET152中の対応する部位を用いてpSET152内にクローン化した(本明細書中に参考として援用される、Biermanら,1992,Plasmid cloning vectors for the conjugal transfer of DNA from Escherichia coli to Streptomyces spp.,Gene 116:43〜49を参照のこと)。得られたプラスミドはpKOS97−49aと命名された。
xylE遺伝子をPCR増幅して、pKOS−97−49aのNdeIおよびXbaI部位にクローン化して、pKOS97−49bを作製した。このプラスミドはもはやphiC31インテグラーゼ遺伝子およびpSET152由来のattP遺伝子座を含んでおらず、そして相同組換えによる送達のための自殺ベクターとして役立つ。
【0053】
過剰産生株S.erythraea K1のプロトプラストは、細胞をTSB培地中で成長さ、そして成長3日後に収集することを除いて、標準手順によって生成した(本明細書中に参考として援用される、Hopwoodら,1985,Genetic Manipulation of Streptomyces:A Laboratory Manual.The John Innes Foundation,Norwich,UKを参照のこと)。プラスミドpKOS97−49b DNAは、E.coli ET12567から調製して、非メチル化DNAを生成して、PEG3350(Sigma)を使用する以外は標準手順を使用するプロトプラストの形質転換に使用した(上述のHopwoodらの文献を参照のこと)。プレートはアプラマイシン(apramycin)1mgで覆って、相同組換えによるプラスミドの組込みのために選択した。アプラマイシン耐性コロニーはサザンハイブリダイゼーションによって分析し、予期される位置での単一交差を確認した。以下に示す二重交差を実行するために、1つのコロニーを選択した。株はIT寒天培地(1Lあたり、5g グルコース、5g トリプトン、0.5g ベタイン塩酸塩、5g コーンスターチ、1g コーンスティープ液(corn steep liquor)(50%)、200mg MgSO・HO、2mg ZnSO_7HO、0.8mg CuSO_5HO、0.2mg CoCl_6HO、4mg FeSO_7HO、80mg CaCl_6HO、150mg KHPO、 10g NaCl、20g 寒天)上で十分に胞子成長するまで、非選択に成長した。胞子を収集し、ITプレート上に希釈して、そして単一コロニーをアプラマイシン耐性の欠損についてスクリーニングした。エリスロマイシンを産生しない1つのアプラマイシン感受性のコロニーを単離した。サザンハイブリダイゼーションによって二重交差を確認した。この株をS.erythraea K97−71と命名した。
【0054】
株K97−71は、他の非6−dEBポリケチドについてのPKS遺伝子を挿入し得る本発明の包括的な過剰産生宿主である。それらの大きなサイズ(30kbまたはそれ以上)に起因して一度にPKS遺伝子の完全なセットを移動することが困難であり得るので、その構築は必要であれば一連の2〜3の二重相同組換え工程に分けられ得る。ピクロマイシン(picromycin)PKS遺伝子は本発明のこの面の実例として役立つ。ピクロマイシンPKSはDEBSに関するが、顕著に異なる化合物を産生する。ピクロマイシンPKSは、ナルボノリド(narbonolide)(炭素10のメチル基、炭素10と11間に二重結合、および炭素3のケトンがないこと以外は6−dEBと類似)を合成する。これらはピクロマイシンPKSのモジュール2およびモジュール6における違いに起因している。PKSのモジュール2のATドメインはプロピオナートの代わりにアセテートを組み込み、モジュール2においてさらなるデヒドラターゼ(DH)活性があって、モジュール6におけるケトレダクターゼ(KR)ドメインがない。また、ピクロマイシンおよびDEBS PKSの構築は、ピクロマイシンのモジュール5およびモジュール6が2種のORFに分かれている以外は類似している。2種のPKS間のアミノ酸配列の類似性は約40%である。同時に、ピクロマイシンPKSのこれらの特徴的な特徴は、ピクロマイシンPKSをエリスロマイシン過剰産生生物に移入される場合、DEBSと異なるモジュラーPKSがポリケチドを過剰産生することを説明するための理想的な選択にする。
【0055】
異種PKS遺伝子を導入するために、attP結合部位を含むプラスミドを使用し得る。あるいは、上述の二重組換え手順を使用し得る。一旦完全なPKSが導入されると、株は代謝産物の産生のために分析される。エリスロマイシンデオキシ糖生合成遺伝子およびグリコシルトランスフェラーゼ遺伝子がインタクトなままであるため、ery遺伝子クラスター中に存在するグリコシルトランスフェラーゼの活性に依存して、ポリケチドアグリコン(すなわち、ナルボノリド)、デソスアミニル化(desosaminylated)誘導体(ナルボマイシン)のいずれかまたは両方が産生され得る可能性がある。さらに、C−6またはC−12ヒドロキシル化反応のいずれかが起こり得る。親株中の、産生するポリケチドの合計量は、過剰産生を示すための同様の条件下でのエリスロマイシンAの産生水準と直接的に比較される。
【0056】
他のPKS遺伝子は容易に株K97−71メガロマイシン(megalomicin)PKS遺伝子内に導入され得る(本明細書中に参考として援用される、PCT特許出願番号 US00/27433、2000年10月4日出願を参照のこと)および、オレアンドリド(oleandolide)PKS遺伝子(本明細書中に参考として援用される、PCT公開番号 00/026349を参照のこと)を含むがこれらに限定されない。また、この宿主は、FK506およびエポシロン(epothilone)のような、エリスロマイシンに遠くにのみ関係したポリケチドの産生のために使用され得る。これはまた、PKS酵素に対する独特の基質(例えば、2−エチルマロネートまたは2−ヒドロキシマロネート)の産生を確実にするか、またはそれが形成されるとき、ポリケチド骨格を修飾する(例えば、脱水または酸化)酵素を提供するために、特定の非PKS遺伝子の導入を伴う。さらに、種々のプロモーター(例えば、エリスロマイシン過剰産生株からのactプロモーター、ermEプロモーター、eryAプロモーター)のうち任意のものを利用して、異種PKS遺伝子クラスターの発現を駆動しうる。
(実施例6)
(PhiC31結合部位を含むS.erythraea株の構築)
Saccharopolyspora erythraea株は、phiC31の結合部位配列に実際に対応する染色体のDNA配列を含まない。従って、phiC31から誘導されたプラスミドとの結合効率は、このような株とでは高くなく、このような株への非常に大きなプラスミドの導入は不可能ではないとしても、困難であり得る。結果として、本発明は、ポリケチド産生株の染色体DNA内にphiC31結合部位配列を挿入することによって改良された種々のポリケチド産生株(S.erythraea株を含むがこれに限定されない)を提供する。
【0057】
S.erythraea K24−1は3種のeryA遺伝子の染色体欠失ならびにStreptomyces lividans由来のStreptomycesファージphiC31のためのattB遺伝子座、次いでermEプロモーターの適所での挿入を含む。この株を作製するために、プラスミドpKOS134−04が最初に以下のように構築された。以下の2種のアニーリングされたオリゴヌクレオチドを使用して、phiC31 attB部位をpKOS97−49aのHind IIIとBamH I部位との間に挿入した:
順方向:
5’−AGCTTCGGGTGCCAGGGCGTGCCCTTGGGCTCCCCGGGCGCGTAA−CTAGTG、
および
逆方向:
5’−GATCCACTAGTTACGCGCCCGGGGAGCCCAAGGGCACGCCCTGG−CACCCGA。
このプラスミドは、pKOS024−87と命名された。プラスミドpKOS0134−04は、pKOS024−87の得られたSpeIとBamHI部位との間のermEプロモーターを含む約300bpのNheI/BamHIフラグメントを挿入することによって作製した。
【0058】
プラスミドpKOS0134−04は、以下に記載するように、E.Coliからの結合を経てS.erythraea K97−71に導入された。相同組換えによる単一交差および二重交差についてのスクリーニングを上述のように行なった。サザンハイブリダイゼーションによって確認された二重交差株が得られ、S.erythraea K24−1と命名された。
S.erythraea株K97−71およびK24−1は、1〜2のITプレート上で増殖した株から胞子を収集することによって調製し、滅菌綿でこの胞子を濾過して、そして20%グリセロール1mlで再懸濁した。胞子懸濁液を約20℃で保存した。胞子懸濁液20μLのアリコートを2×YT 5mlに添加し、そして振盪しながら30℃でインキュベートした。1時間後、胞子を遠心分離によって収集した(レシピエント細胞)。ドナー細胞を、E.coli/pUZ8002をpSET152またはpKOS97−113またはpKOS97−69aを用いて形質転換し、そしてアプラマイシン耐性のみを選択することによって調製した。プラスミドpKOS97−113およびpKOS97−69aはそれぞれ、megAI−III遺伝子およびeryAI−III遺伝子を保有する約30kb挿入物を含むpSET152の誘導体である。
【0059】
一次形質転換プレートからいくつかのコロニーを選び、そしてクロラムフェニコール(10μg/mL)、カナマイシン(100μg/mL)、アプラマイシン(60μg/mL)を含むLB 5mlに播種するために使用した。細胞を37℃で3〜4時間増殖させ(0.4〜0.6のOD600)、遠心分離によって収集し、LB 5mlで洗浄し、遠心分離して、そしてLB 100μLに再懸濁した。ドナー細胞とレシピエント細胞との間の接合移入は、ドナー懸濁液100μLにレシピエント細胞を再懸濁させ37℃で15〜30分間振盪せずにインキュベートすることによって行なった。50μg/mLのナリジクス酸を含むR5プレート上に細胞を塗布し、34℃で16時間インキュベートした。次いでプレートをナリジクス酸1mgおよびアプラマイシン2mgを含む軟栄養寒天3mlで覆った。接合完了体をさらに48時間インキュベートした後に観測した。
【0060】
接合頻度はおおよそ、K24−1::pSET152で5×10−5、K97−71::pSET152で3×10−7、K24−1::pKOS97−113で1×10−6、およびK97−71::pKOS97−114で1×10−7未満であった。
【0061】
K24−1::pSET152接合完了体およびK97−71::pSET152接合完了体の染色体へのプラスミド組み込みは以下のように確認した。ゲノムDNAを、各株のいくつかの接合完了体から調製しBamHIまたはEcoRIと共に消化し、再連結し、そしてE.Coliを形質転換するために使用した。アプラマイシンは染色体中に組み込まれたpSET152ベクターおよびattB/attP接合配列を含む再び環状にしたDNAを選択するために使用した。プラスミドDNAをアプラマイシン耐性コロニーから調製し、attB/attP接合を、pSET152中のattP部分の上流にアニーリングしたプライマーを使用して配列させた。分析された4種の別々のK24−1::pSET152接合完了体において、pSET152は4つの異なる染色体位置に組み込まれ、これらは、他のStreptomyces spp.中の公知のattB部位との類似性を示さなかった。分析された7種のK24−1::pSET152接合完了体において、pSET152は、いずれの場合も操作されたphiC31 attBに組み込まれた。
【0062】
これらの結果は、インテグラーゼphiC31が媒介するベクターの組み込みが、操作されたattB部位が存在しないS.erythraea spp.において部位特異的ではなく、比較的低い頻度で起こることを示している。染色体中での適切なattB部位またはattP部位の配置は、この実施例で示した一例のように、phiC31をベースとするベクターの接合頻度が顕著に増加し、結果として部位特異的組み込みが起こる。
【0063】
記載された説明および実施例によって、本発明が記述されるが、当業者は、本発明が種々の実施形態において実施され得ることを理解し、そして前述の記載および実施例は例示を目的とし、特許請求の範囲を限定するものではないことを理解する。
【図面の簡単な説明】
【図1】
図1は、DEBSを構成する3種のタンパク質(DEBS1、DEBS2、およびDEBS3)のモジュラー組織、6−デオキシエリスロノリドB(6−dEB)の合成における各工程で形成される中間体、および6−dEBの修正から生じるエリスロマイシンの構造(エリスロマイシンCは示されていない)を含む、エリスロマイシン生合成における重要な工程を示す。
【図2】
図2は、モジュール2のKRドメインと、ラパマイシンPKSのモジュール4のKRおよびDHドメインとのDEBS中での置換ならびに得られた組換えPKSによって産生した生成物ならびにSaccharopolyspora erythraea中のポリケチド修飾酵素の作用、を示す。
【図3】
図3は、前駆体からの直接生合成によるエリスロマイシン誘導体の産生を示し、2種のジケチド(化合物4および5)およびKS1°変異を含む本発明のSaccharopolyspora erythraea宿主細胞にこれらを提供して形成した生成物(化合物6〜11)を示している。[0001]
(Technical field)
The present invention provides recombinant methods and materials for producing polyketides by recombinant DNA technology. The present invention relates to the technical fields of agriculture, veterinary science, chemistry, medicinal chemistry, medicine, molecular biology, pharmacology, and veterinary medicine.
[0002]
(Background technology)
Polyketides are an important class of natural products that are responsible for the development of many human therapeutic, veterinary and agricultural products (eg, FK506, lovastatin, and avermectin). Enzymes that synthesize these compounds, polyketide synthases (PKS), are targets of various molecular engineering approaches aimed at producing either improved analogs of existing drugs or combinatorial libraries of novel polyketides. It has become. Modular PKS (eg, 6-deoxyerythronolide B synthase (DEBS) shown in FIG. 1) has a novel polyketide structure that is derived by genetic manipulation of one or more enzyme domains contained in this type of PKS enzyme. It has been modified by this type of technology to produce (see above, US Pat. No. 5,962,290 and PCT Publication No. 98/49315).
[0003]
Since these first generation successes, it has resulted in rapid growth of genetically engineered PKSs that produce new polyketides or “non-natural” natural products, each of which is incorporated herein by reference in PCT Publication No. 99. / 61599, 00/024907, and 00/026349). Recent research has led to the creation of libraries of about 100 macrocycles, indicating the possibility of creating libraries with significant complexity and diversity, each incorporated herein by reference. PCT Publication Nos. 00/063631 and 00/024907).
[0004]
The ability to manipulate the catalytic activity of these multifunctional enzymes as expected represents an important technical achievement in protein engineering. However, one of the current challenges to the construction of very large compound libraries (more than 1000 compounds) has been generated in connection with many genetically modified PKSs, particularly those with multiple domains modified The level is decreasing (previously, PCT Publication Nos. 00/063631 and 00/024907). Although it is desirable to use knowledge of the structure-activity of PKS to help guide more optimal operation of PKS, the current understanding is relatively limited due to the complexity and size of these enzymes. And progress is slow. Therefore, in order to advance combinatorial biosynthetic techniques, it is important to develop complementary approaches that do not rely on detailed understanding of the enzyme structure.
[0005]
One possibility impacts an important resource that has been generally served over the years against establishing a commercial process for producing natural product drugs. Almost inevitably, extensive cell line improvement and process development programs have been conducted to improve the yield of compounds from naturally occurring organisms, often achieving greater than a 100-fold increase in potency. Many microorganisms have been optimized through random mutagenesis for mass production of high-value compounds including penicillin, macrolide antibiotics, and lovastatin. Although this conventional approach to strain improvement can be applied to strains with engineered PKS, this approach is labor intensive, especially considering the many mutant strains that can be generated by combinatorial biosynthesis. Is a process. However, if the overproduction capacity of existing industrial strains can be applied to increase the potency of polyketides derived from engineered PKS, it represents an attractive and economical solution. Overproduction not only increases accessibility to compounds produced at levels that are currently too low for screening, but can also increase the size of the library produced. The reason is that the generation level became too low after more modifications were introduced into PKS. However, the broad applicability of this type of strain depends on what are the factors responsible for overproduction and whether production from recombinant PKS is increased in an overproduction environment.
[0006]
The present invention meets the need for a comprehensive host cell capable of producing polyketides at significantly higher levels than other host cells.
[0007]
(Summary of the Invention)
In a first embodiment, the present invention provides a method for producing a first polyketide, said method comprising producing a PKS producing said first polyketide in a cell optimized to produce a second polyketide. A method is provided that includes expressing an encoding polyketide synthase (PKS) gene.
[0008]
In one aspect, the method includes producing a first polyketide that is a derivative of a second polyketide, and modifying the PKS gene in the overproducing cell such that the gene expresses PKS that produces the first polyketide.
[0009]
In another aspect, the method includes the introduction of a gene expressing PKS that produces the first polyketide into an overproducing cell. In a preferred form, the gene expressing PKS producing the second polyketide is deleted or otherwise inactivated before or after introduction of the gene encoding the first PKS.
[0010]
In a preferred embodiment of this method, the overproducing cell produces a second polyketide at a level above 1 g / L, preferably above 2.5 g / L, more preferably above 5 g / L, and most Preferably, it produces exceeding 10 g / L. In a preferred embodiment of this method, the overproducing cells produce the first polyketide at a level above 10 mg / L, preferably above 25 mg / L, more preferably above 50 mg / L, and most preferably Produces over 100 mg / L.
[0011]
In another embodiment, the invention provides for the inclusion of the gene encoding the second polyketide being deleted from the cell, and the gene encoding PKS producing the first polyketide can be easily introduced and expressed in the cell. An overproducing host cell is provided.
[0012]
In one aspect, this global overproducing cell is derived from a Saccharopolyspora erythraea host cell that produces erythromycin at a level greater than 2.5 g / L and either by deletion of all or substantially all of the eryA gene or DEBS It is modified by either mutational inactivation of the ketosynthase (KS) domain of module 1 of PKS.
[0013]
In another embodiment, the present invention provides a global overproducing host cell that has been modified to express a PKS that produces a first polyketide. In a preferred embodiment, the host cell contains a binding site for the integrating phage phiC31 that facilitates transformation of the strain. In certain embodiments, the host cell is modified by genetic alterations to include this type of binding site.
[0014]
In one aspect, this over-producing host cell is derived from a Saccharopolyspora erythraea host cell that produces erythromycin at levels above 2.5 g / L and produces 10,11-anhydro-6-deoxyerythronolide B. It is modified either by altering the eryA gene to encode a PKS or by mutational inactivation of the ketosynthase (KS) domain of module 1 of DEBS PKS.
[0015]
These and other embodiments, modes, and aspects of the invention are described in more detail in the following description, examples, and appended claims.
[0016]
(Detailed description of the invention)
In a first embodiment, the present invention provides a method for producing a first polyketide, wherein the method described above produces a first polyketide in a cell that is optimized to produce a second polyketide. There is provided a method comprising expressing a PKS gene encoding (PKS). In a preferred embodiment of this method, the overproducing cell produces a second polyketide at a level greater than 1 g / L, preferably greater than 2.5 g / L, more preferably greater than 5 g / L, and most Preferably, it produces exceeding 10 g / L. In a preferred embodiment of this method, the overproducing cells produce the first polyketide at a level greater than 10 mg / L, preferably greater than 25 mg / L, more preferably greater than 50 mg / L, and most preferably Produces over 100 mg / L.
[0017]
Significant efforts to increase the production of polyketides in cells because the value of polyketides in pharmacy and agriculture, and the amount of polyketides produced in cells where they are found naturally are typically small Has been paid. Thus, there are many “overproducing” cells that make polyketides. However, by way of example only, erythromycin and semisynthetic derivatives have important pharmaceutical uses as anti-infective agents. DEBS (synthesizes 6-deoxyerythronolide B (6-dEB, compound 1 in FIG. 1), which is the macrocyclic lactone center of erythromycin) belongs to the modular class of PKS. The reason for being so called is that the enzyme domains required for synthesis are organized by modular repeats of the catalytic domain (FIG. 1). The organism from which DEBS was originally cloned, Saccharopolyspora erythraea NRRL 2338, typically produces erythromycin A between 100-200 mg / L in standard laboratory fermentations. Streptomyces coelicolor or S. no hydroxylation and glycosylation pathways are present therein. Heterologous expression of DEBS in any of the Lividans yields about 50-100 mg / L of 6-dEB (1) under optimal conditions, which is close to the amount of 1 produced by NRRL2338 (referenced herein) No. 5,672,491, incorporated by reference). In contrast, many industrially optimized S.I. The erythraea strain produces erythromycin in excess of 10 g / L.
[0018]
However, the biochemical reasons for this type of overproduction are not known. One possible reason is that compared to normal producer cells, overproducer cells have one or more mutations in the gene encoding PKS expression. Another reason is that overproducing cells simply produce more of the precursor compound used in polyketide biosynthesis. If the reason for overproduction is present in the PKS gene, it is unlikely that the overproducing cell of the first polyketide is the overproducing cell of the second polyketide.
[0019]
To demonstrate the advantages of the present invention, an overproducing strain of Saccharopolyspora erythraea named K1 capable of producing at least 7 g / L of erythromycin in bioreactor fermentation was used. As mentioned above, there are surprisingly few reports on the determinants of overproduction in industrial microorganisms. The increase in yield results from mutations in the biosynthetic enzymes that increase flux, the corresponding upregulation of gene expression, or higher intracellular retention of the substrate (acyl CoA thioester in the case of polyketides). S. For erythraea erythromycin overproducing cells, the most probable reason for the high production level in Saccharopolyspora erythraea overproducing cells remains the combination of the latter two reasons, and a significant increase in titer is simply the result of overexpression of DEBS It is unlikely to think. To demonstrate that the overproducing cell line did not carry a kinetically improved PKS, the PKS gene was cloned and expressed in Streptomyces lividans and Streptomyces coelicolor, and production levels were reduced to wild-type S. coli. Comparison was made with DEBS isolated from the erythraea strain. This result suggests that mutations in PKS are unlikely to be responsible for overproduction, and that expression of PKS from other organisms in this strain leads to higher titers compared to the parent strain. Suggested.
[0020]
To examine whether some or all of the improved production characteristics of the industrial Saccharopolyspora erythraea host were due to the whole or part of the activity of PKS, PKS was compared to DEBS from NRRL 2338 strain. Furthermore, since this industrial strain is produced from multi-stage mutagenesis, it is possible to obtain higher biosynthesis throughput as a result of the introduction of mutations in the DEBS gene. If so, Streptomyces coelicolor or S. By using a mutated PKS gene in lividans, it can be a strain that increases the titer of erythromycin and related macrolides produced in this type of heterologous host previously produced with DEBS. The complete set of DEBS genes from overproducing strains is sequenced to identify potential mutations, but the size of the gene cluster (> 30 kb) makes this approach difficult.
[0021]
Instead, three genes encoding DEBS, eryAI-III, were cloned from overproducing strains using conserved recognition sites and S. cerevisiae. Placed in a similar Streptomyces expression vector used for heterologous expression of DEBS obtained from erythraea NRRL2338. The resulting plasmid, pKOS108-04, is consistent with pKAO127'kan '(including wild type DEBS) except for the source of the eryAI-III gene. In either case, gene expression is controlled by the actI promoter and actII-4 regulatory protein on the expression plasmid (see US Pat. No. 5,672,491, incorporated herein by reference). . Both pKOS108-04 and pKAO127 'kan' were lividans K4-114 and S. Coelicolor CH999 was used to convert. Multiple transformants (each 2-4) were grown in parallel and the 6-dEB production profile was determined. S. lividans and S. In both Coelicolor, two different S. coli. The DEBS gene from the erythraea strain produced an equivalent amount of 6-dEB (approximately 30-40 mg / L) under the culture conditions described in the examples below.
[0022]
The inability to increase polyketide titers with PKS derived from overproducing hosts is that DEBS from this strain is not catalytically different from wild-type DEBS, but 6-dEB production levels are utilized in these strains. It implies the possibility that it is limited by the amount of possible precursors. This experimental result highlights the potential advantages of an industrial strain as an overproducing host than its use of PKS in a heterologous host. Thus, one advantage of the present invention is understood when an overproducing strain for one polyketide is genetically altered to express a PKS gene for a different polyketide.
[0023]
In one aspect, the method includes production of a polyketide that is a derivative of a second polyketide and alteration of the PKS gene in an overproducing cell, such as those genes that express PKS producing the first polyketide. This aspect of the invention is illustrated by an erythromycin overproducing strain of Saccharopolyspora erythraea optimized for combinatorial biosynthesis. A mutant of DEBS was constructed in this host by catalytic domain substitution that alters the structure of the corresponding polyketide. Compared to the expression of a similar mutant DEBS expressed in Streptomyces lividans (which is a non-optimized host), the production of modified polyketides was significantly higher.
[0024]
Many strategies for manipulating the biosynthesis of polyketides have been achieved using DEBS and other modular PKS. These include domain and module inactivation, deletion and substitution, construction of hybrid modules by protein fusion, and complementation between PKS subunits from different sources. These experiments are described in Streptomyces coelicolor, S .; lividans, or S. It is carried out in any of the relatively low production strains of erythraea. In accordance with the present invention, the potency of polyketides produced by the PKS strategy commonly used to modify DEBS in these strains can be substantially enhanced in overproducing strains.
[0025]
To illustrate this advantage, a representative PKS domain substitution was constructed in an overproduced Saccharopolyspora erythraea strain. Exchange of ketoreductase domains in DH and KR domains (rapDH / KR4) from DEBS augmentation module 2 (eryKR2) and rapamycin PKS augmentation module 4 in the chromosome of an overproducing host by homologous double recombination Was designed (FIG. 2). This particular mutation was selected to rigorously test its ability to improve low yields of PKS, with the lowest production of functional single mutants produced in systemic screening for domain substitution. is there. When modified in a plasmid-based DEBS system and expressed in Streptomyces lividans, the resulting strain (S. lividans K4-114 / pKOS11-64) is about 0.3 mg / L as a result of newly introduced DH activity. The 10,11-anhydro analog 3 of 6-dEB was produced (FIG. 2). (See both PCT Publication Nos. 98/49315 and 00/02497, incorporated herein by reference)
Saccharopolyspora erythraea strain K39-10 (Table 1) containing substitutions produced a mixture of large amounts of erythromycin analogues (which all contained the expected 10,11-anhydro moiety but differed in the hydroxylation pattern) (Figure 1). 2). The most abundant products were 10,11-anhydroerythromycin A (compound 4), B (compound 5), and D (compound 6), and 6-deoxy-10,11-anhydroerythromycin A (compound 7). ), B (Compound 8), and D (Compound 9). To confirm the structures of compounds 4, 5, 7, and 9 and to determine the position of the hydroxyl groups of compounds 5 and 7, 1 H-NMR spectroscopy and 1 H-TOCSY correlation was used. The ratio of these produced compounds can be media dependent. The B (12-deoxy) and D (4 ″ -desmethyl) species of erythromycin A are often S. cerevisiae. Although present in the fermentation broth of Erythraea strains, 6-deoxy compounds are usually not detected. EryF is cytochrome P450 that causes hydroxylation at the C-6 carbon of polyketide aglycone. The presence of a 6-deoxy compound at K39-10 is consistent with previous observations that the in vitro hydroxylase activity of EryF is poor for substrates with 10,11-double bonds.
[0026]
The total yield of erythromycin from either R5 fermentation medium or F1 fermentation medium was about 50 mg / L. This corresponds to approximately 26 mg / L of the macrocyclic lactone product (compound 3) synthesized by the modified PKS. Although the yield of polyketide was significantly reduced compared to the amount of erythromycin produced by the parent strain, there is an almost 100-fold increase in potency when compared to the production of compound 3 in Streptomyces lividans. This relative increase is consistent with the relative increase in 6-dEB production from unmodified DEBS in two different hosts, and most or all of the benefits of overproduction are translated into the mutant PKS It has been demonstrated that
[0027]
These experiments, which demonstrate that the use of high polyketide producing strains is a general approach to the construction of large polyketide combinatorial libraries, yielded two important findings. The first is that the production level derived from the mutant strain PKS can be significantly increased when expressed in an overproduction environment. This is shown in examples with domain substitutions that yield a relatively small amount of compound compared to many other single variants that are made. Thus, this type of increase in yield is probably universally observed, including strains containing PKS enzymes with multiple modifications compared to the wild type. Using an efficient genetic tool for this strain, an existing macrolide library is screened and the appropriate compound titers are generated to expand the number of available compounds. It is relatively convenient to move into the erythraea.
[0028]
These experiments also indicate that the cause of overproduction in this Saccharopolyspora erythraea strain is due to the host environment and not from mutations in the PKS gene. This also means that a module or domain from a heterologous PKS will produce a higher titer in the overproducing host. This is important. This is because the functional unit for PKS manipulation is available from many PKSs cloned from different organisms. Moreover, complete pathways for low production PKS (eg, pathways for anti-tumor polyketide epothilone) require sufficient substrate available in the strain and thereby need to improve upon the traditional strain It suggests that avoiding sex can be improved by heterologous expression.
[0029]
Thus, polyketide overproducing strains can be used to produce PKS-derived polyketide derivatives designed in good quantities. As indicated in the specification, the use of industrial erythromycin producing strains leads to the production of erythromycin derivatives in sufficient quantities for biological assays from small scale production cultures (<1 L) and at moderate scales. Up (100-1000 L) leads to the production of sufficient amounts of erythromycin derivatives to guide optimization by chemical modification. Thus, the present invention achieves a “total” increase in titers from polyketide libraries prepared by combinatorial biosynthetic strategies that translate the ability to create larger compound libraries in good yield. Provides a simple and experimental method. Furthermore, because identification and cloning of polyketide gene clusters can be accomplished in a relatively small amount of time, it is possible to significantly reduce the process development time and efforts to derive polyketides by heterologous expression in overproducing hosts. Furthermore, it is possible to reverse the reduced potency of modified PKS-derived polyketides by using a host optimized for very high production levels.
[0030]
The methods of the present invention can include not only alteration of existing PKS genes in overproducing cells, but also introduction of new PKS genes into overproducing cells. Numerous modular PKS genes have been cloned and are available for use based on the method of the present invention. The polyketide produced by the PKS enzyme is converted into a hydroxylated polyketide product, an epoxidized polyketide product, a methylated polyketide product, and a glycosylated polyketide product of PKS by a polyketide modifying enzyme, often referred to as a tailoring enzyme. And is further modified. Based on the methods of the present invention, these genes can also be introduced into overproducing host cells to prepare the modified polyketides of interest. The following table lists exemplary PKS genes and lists corresponding enzyme references that may be utilized in accordance with the present invention. Also provided are various references describing polyketide tailoring enzymes and modifying enzymes and corresponding genes that can be used to make the recombinant DNA compounds of the present invention.
[0031]
[Table 1]
Figure 2005529579
Figure 2005529579
Any of the above-mentioned genes, with or without genes for polyketide modification, if any, can be used in the overproducing host cell of the present invention. Furthermore, the host cells of the invention can be constructed by transformation with multiple vectors each containing a portion of the desired PKS and a modified enzyme gene cluster: US Pat. No. 6,697, incorporated herein by reference. See No. 033,883.
[0032]
In a preferred manner, the endogenous PKS gene of the overproducing strain is deleted or otherwise inactivated before or after introduction of the gene encoding the PKS of interest. In one important aspect, the invention relates to genetic overproduction in which the gene encoding PKS that produces the “overproduced” polyketide has been deleted and the gene encoding the PKS of interest can be easily introduced and expressed. A host cell is provided. In certain preferred embodiments, the genetic overproduction host cell is derived from a Saccharopolyspora erythraea host cell that produces erythromycin at a level greater than 2.5 g / L and either a deletion of all or substantially all of the eryA gene or It is modified by any mutational inactivation of the ketosynthase (KS) domain of module 1 of DEBS PKS.
[0033]
To illustrate this aspect of the invention, a genetic block on the polyketide synthase DEBS was introduced into an erythromycin overproducing strain of Saccharopolyspora erythraea that results in non-production of 6-deoxyerythronolide. Expression of the oleAI gene of oleandomycin PKS in this blocked strain was found to produce 15-nor-erythromycin A. The exogenous addition of synthetic molecules to this blocked mutant culture resulted in the production of a novel biologically active C-13 derivative of an erythromycin analog. This latter strategy, referred to as precursor-directed biosynthesis, utilizes biosynthetic blocked PKS mutants that can incorporate chemically directed priming units or intermediates downstream of mutations in PKS. Numerous C-13 derivatives of 6-dEB can be produced in Streptomyces coelicolor by introducing mutations into ketosynthase (KS1) of DEBS module 1 by incorporating a synthetic partial chain into PKS (this book) (See PCT Publication Nos. 99/03986 and 97/02358, which are incorporated herein by reference). However, this methodology is If it can be carried out in an overproducing strain of erythraea, it is advantageous not only in that more polyketides are made, but in that fully glycosylated and hydroxylated compounds are produced.
[0034]
In order to achieve this purpose, plasmid pKOS40-57 was constructed as a delivery vector, and an active site Cys729> Ala mutation was introduced into the KS1 domain of DEBS1 module 1 (see above, PCT publications 99/03986 and 97/02358). In the issue). The inactive KS1 domain prevents the growth of the initiation unit and allows exogenous synthetic diketide thiol esters to be introduced into the PKS (PCT Publication 00, incorporated herein by reference). / 0444717). Saccharopolyspora erythraea K1 protoplasts were transformed with pKOS40-57, and eight transformants were obtained that had no biological activity against Bacillus subtilis. To confirm that pKOS40-57 integration occurred at the appropriate location on the chromosome, genomic DNA was extracted from one of the transformants for PCR analysis. Non-selective growth was then performed that allowed for plasmid eviction via double crossover events. It was found that three-fifths of apramycin-sensitive colonies were in the desired KS1 null (KS1 °) mutant. One such KS1 ° null strain designated K39-14 did not produce any detectable erythromycin or 6-dEB-like product and showed no biological activity when grown in R2YE medium. . This K39-14 strain was used for heterologous expression of the oleAI gene that complements the KS1 null mutant and for precursor-directed biosynthesis of novel erythromycin analogs.
[0035]
Subunits from heterologous modular PKS can be functionally assembled to make hybrid polyketides. For example, both the DEBS3 subunit and the OleA3 subunit (subunit 3 of 8,8a-deoxyoleandolide PKS) can fully complement the picromycin PikAIII and PikAIV subunits (incorporated herein by reference). PCT Publication No. 99/61599). The loading domain of wild-type DEBS from Saccharopolyspora erythraea has been shown to accept acetate to form low levels of 15-nor-erythromycin c. Similar results were observed when DEBS was expressed in Streptomyces coelicolor to form 15-nor-6dEB (1: 5 6dEB), which is incorporated herein by reference. No. 5,672,491). Ole PKS produces 8,8a-deoxyoleadlide, which differs from 6-dEB, which is the product of DEBS with only one carbon in the priming unit. The subunits of Ole PKS and DEBS contain significant structural differences: they are only 45% identical between DEBS and Ole PKS, albeit functionally similar.
[0036]
Expression plasmid pKOS39-110 (this is ermE * Expression of the oleAI gene under the control of the promoter is available (see PCT publication 99/061599, incorporated herein by reference) and using the ΦC31 binding site Thus, it was convenient to introduce the oleAI gene into strain K39-14 by integration into the chromosome. Transformation of the Saccharopolyspora erythraea K39-14 plasmid with pKOS39-110 occurred within the strain, with the by-product 15-nor-erythromycin C, 15-nor-erythromycin A about 5-10 mg / L. It showed antibacterial activity. Mass spectra and LC retention times were consistent with known standards. The protonated molecular ionic species at m / z 706 is consistent with the proposed structure of 15-nor-erythromycin C. This result shows that OleAI can complement DEBS1 to some extent. S. The ability to express this heterologous PKS subunit in erythraea also indicates that a heterologous PKS enzyme can be produced in the global overproduction host cell of the present invention.
[0037]
Precursor-directed biosynthesis involves introducing mutations into the DEBS module 1 ketosynthase (KS1) and adding a chemically synthesized N-acetylcysteamine (NAC) thioester of the diketide precursor to the fermentation. In Streptomyces coelicolor to make many C-13 derivatives of 6-dEB. To simplify the production of erythromycin analogs by precursor-directed biosynthesis and to fully process the production of polyketides to erythromycin A analogs, in the chromosome of a Saccharopolyspora erythraea overproducing strain producing strain K39-14 A KS1 ° mutation was introduced into the cell, which was fermented in F1 medium in the presence of 0.25 g / L propyl NAC diketide (4) or vinyl NAC diketide (5) as shown in FIG. (See Brunker et al., 1998, Microbiol. 144: 2441-2448, incorporated by reference). Each of these strains produced the corresponding 15-methylerythromycin or 14,15-dehydroerythromycin derivatives (compounds 6-8 and 9-11 in FIG. 2) between 10-20 mg / L. Both erythromycin analogues showed antibacterial activity against Bacillus subtilis. The structure of 15-methylerythromycin A was determined by NMR.
[0038]
The amount of erythromycin is much lower than the potential of this strain, presumably due to membrane transport barriers, but these yields are sufficient for biological screening from small culture volumes. Given possible sequences of synthetic diketides that can be chemically synthesized, it is possible to produce and screen more erythromycin derivatives in a convenient manner.
[0039]
Based on the method of the present invention, an overproducing strain of Saccharopolyspora erythraea is used to produce various erythromycin compounds that are not naturally produced as the main product by the strain. S. The OleAI complement of the DEBS1 mutant containing the KS1 null mutation in the erythraea overproducing strain is a functional heterologous PKS consisting of proteins derived from two different PKS enzyme complexes, and is mainly produced by some unmodified overproducing strains An example of a PKS that produces a polyketide that is not made as a product is provided. S. Production of 10,11-anhydroerythromycin in an erythraea overproducing strain is a functional heterologous PKS complex comprising a protein comprising a module consisting of enzyme domains derived from two different PKS enzymes and unmodified overproduction Examples of PKS complexes that produce polyketides that are not made by some strains are provided. S. cerevisiae containing a KS1 null mutation Production of polyketides by diketide supplementation in erythraea overproducing strains is a non-functional heterologous PKS complex that can be used to produce polyketides that differ from those produced by wild-type PKS by providing a synthetic chemical starter for PKS Provide examples of the body.
[0040]
Thus, the present invention provides useful methods and host cells for producing many different polyketides in recombinant host cells. However, it is known that polyketide producing host cells that have been optimized through mutagenesis to produce high titers of polyketides are difficult to transform. Furthermore, the low efficiency of transformation observed in such cells decreases significantly as the size of the vector used to transform the cells increases. For very large vectors, transformation is often not simply possible. Since the PKS gene is usually very large (> 30 kb), this low transformation efficiency is a significant barrier to realizing the advantages of the present invention. There is some evidence and speculation that this transformation barrier may be due to a restriction-modification system in the host.
[0041]
Conjugation-mediated transformation may overcome this barrier to some extent; this may be the result of lower sensitivity of single-stranded DNA that occurs upon conjugation to a restriction-modification system. However, even conjugation-mediated transformation cannot succeed with very large vectors that are integrated into the host cell chromosome by homologous recombination. This barrier may be a result of the nature of the homologous recombination event and may be low compared to the cleavage of DNA delivered by the restriction-modification system.
[0042]
Vectors containing binding sites (attP) from phage (eg, phiC31, pSAM, and pSLP vector based vectors) can be integrated into the host cell chromosome by a mechanism mediated by the phage integrase enzyme. However, when this type of vector was used for conjugation-mediated transformation in Saccharopolyspora erythraea host cells, very low transformation efficiencies were observed as described above. The conjugate is analyzed by DNA sequence analysis and the vector is utilized by phages in other organisms and is not present at sites that differ in sequence from the previously identified preferred binding site sequence (attB sequence). I found that it was incorporated into the work. This low transformation efficiency barrier was overcome by altering the host cell chromosome to include the attB sequence. The resulting recombinant host cell can be transformed with relatively high transformation efficiency by conjugation with a vector containing the phiC31 binding site sequence, even with very large vectors containing the entire PKS gene cluster.
[0043]
Accordingly, in certain embodiments, the present invention provides E.I. A recombinant host cell other than a Coli or human host cell is provided, the recombinant cell being modified to contain one or more attB sites compared to the cell from which the cell is derived (herein). See Thorpe et al., 1998, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95: 5505-5510, and Groth et al., 2000, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97: 5995-6000, incorporated by reference in the literature. about). Cells modified to include multiple binding sites may be preferred for the purpose of introducing multiple genes at different locations on the chromosome. In one embodiment, the cells are derived from cells that have been optimized by mutagenesis and produce polyketides at high levels. In another embodiment, the cell is a Saccharopolyspora erythraea host cell such as NRRL2338 or a cell that produces erythromycin in excess of 2.5 g / L.
[0044]
In another embodiment, the present invention provides a method for obtaining a transformant of a cell modified to contain a phiC31 binding site, said method comprising a complementary binding site (attB) with said cell. And a cell containing a vector containing attP are complementary to each other, which can be a phiC31 integrase, so that the gene can be in the vector or in the host cell and under the control of a heterologous promoter. A step of joining in the presence). On the other hand, attP is typically used on the vector and attB on the chromosome, but one can also place attP in the chromosome and attB on the vector according to the method of the invention. In another embodiment, the present invention provides a cell produced by such a method. In a preferred embodiment, cells produced by such methods produce polyketides that are not produced by the cells prior to the aforementioned conjugation step.
[0045]
The following examples are given for the purpose of illustrating the invention and should not be construed as limiting the invention or the claims.
[0046]
(Example 1)
(Strain, medium conditions, and DNA manipulation)
DNA manipulation was performed in Escherichia coli XL1-Blue (Stratagene). The Saccharopolyspora erythraea overproducing strain produced erythromycin in excess of 7 g / L (strain K1). Transformation of this strain was performed according to the standard Streptomyces protoplast method, except that TSB medium was used instead of YEME. Transformants were sorted with thiostrepton (50 μg / mL) or apramycin (100 μg / mL) on R2YE regeneration plates or R5 regeneration plates.
[0047]
(Example 2)
(Construction of Saccharopolyspora erythraea KS1 null mutant)
Plasmid pKOS40-57 was transformed into a DEBS KS1 null mutant (special replacement of alanine with the active site cysteine of the DEBS KS1 domain; Kao et al., 1996, Biochemistry 35: 12363-12368, incorporated herein by reference. The 4.0 kb NdeI-EcoRV fragment containing (see reference) was constructed by introducing it into a suicide vector (pUC18 derivative containing an apramycin resistance conferring gene) as a delivery vector. Plasmid pKOS40-57 was transformed into Saccharopolyspora erythraea K1. The apramycin resistant strain (K1-1) was grown in TSB medium containing apramycin (100 μg / ml) to confirm resistance and integration was confirmed by PCR analysis of chromosomal DNA. For double crossover determination, transformants were passaged twice in the TSB medium without apramycin. Protoplasts were regenerated on R2YE plates. Individual colonies arising on the regeneration plates were then screened for sensitivity to apramycin. Colonies containing the desired mutation have been demonstrated not to produce erythromycin. It was named erythraea K39-14. As described above, when transformed with plasmid pKOS39-110 encoding the oleAI gene, strain K39-14 produces 15-norerythromycin and given propyl NAC diketide (compound 4 in FIG. 3) 15 -Methyl-erythromycin was produced.
[0048]
(Example 3)
(Production and analysis of erythromycin derivatives)
The Saccharopolyspora erythraea strain described herein was grown for 5 days at 30 ° C. in 25 mL of R2YE. Cultures were analyzed by HPLC / MS for erythromycin derivatives. The structure determination was mainly based on the agreement between the predicted structure, mass spectrum and HPLC profile for the engineered strain. For mass spectra and HPLC, see S.M. The erythraea wild type strain was used as a reference. In addition, as described in Example 4, further structure confirmation was performed by the NMR spectrum of 15-methylerythromycin A. Biological activity was assessed by an agar plate diffusion assay using Bacillus subtilis as the indicator bacterium and incubated overnight at 37 ° C. to visualize the area of inhibition.
[0049]
(Example 4)
(Characterization of 15-methylerythromycin A)
Saccharopolyspora erythraea strain K39-114 was fermented in the presence of 0.25 g / L propyl NAC diketide (compound 4 in FIG. 3) given to the culture 24 hours after the start of fermentation as described in Example 3. I let you. 15-Methylerythromycin A extracted from the fermentation was further purified by column chromatography using toluene / acetone 1: 1 for characterization to give a white solid. 1 H and 13 C spectrum is CDCl at 400 MHz (Bruker DRX) 3 Recorded in solution. Thin layer chromatography was performed on glass pre-coated with silica gel 60 and spots were visualized by vanillin staining and then heated. NMR value: 1 1 H NMR (400 MHz, CDCl 3 ) Δ 5.14 (dd, 1H, J = 2.0, 8.8), 4.91 (d, 1H, J = 4.8), 4.44 (d, 1H, J = 7.2) , 4.05-3.98 (m, 2H), 3.84 (brs, 1H), 3.60 (d, 1H, J = 7.6), 3.54-3.47 (m, 1H) ), 3.34 (s, 3H), 3.25 (dd, 1H, J = 7.2, 10.4,), 3.12 (br q, 1H, J = 7.0), 3.04 (D, 1H, J = 9.6), 2.90 (dq, 1H, J = 7.2, 9.1), 2.77-2.67 (m, 1H), 2.52 (ddd, 1H, J = 4.4, 9.6, 12.4), 2.43-2.37 (m, 1H), 2.34 (s, 6H), 2.05-1.90 (m, 2H) ), 1.90-1.80 (m, 2H), 1.79-1.55 (m, 3H), .50 (s, 3H), 1.36-1.09 (m, 27H), 0.94 (t, 3H, J = 7.2). 13 C NMR (100 MHz, CDCl 3 ) Δ 221.2, 174.6, 102.2, 95.4, 82.5, 79.0, 77.0, 76.3, 76.0, 74.1, 73.5, 71.6, 69.9, 68.0, 64.6, 64.5, 48.5, 44.2, 43.9, 39.2, 38.5, 37.6, 36.8, 34.0, 29. 2, 27.8, 26.1, 20.5, 20.4, 18.5, 17.7, 17.3, 15.2, 14.9, 13.0, 11.0, 8.1.
[0050]
(Example 5)
(Comprehensive production host lacking the native PKS gene)
Many mutations that improve the yield of Saccharopolyspora erythraea high producers are present in chromosomal regions other than the PKS gene, affecting precursor pools, regulatory processes, nutrient utilization, and other factors. Such yield-enhancing mutations can be developed directly and rapidly by using the strain as a global host for the overproduction of mutant and polyketide encoded by heterologous PKS genes. This mainly requires the ability to supply all starting materials used by PKS and coenzymes to make specific polyketides. Fortunately, all modular PKS use one or more small groups of simple carboxylic acids (eg acetate, propionate or butyrate and their 2-carboxy derivatives) to form a carbon skeleton and dideoxyhexide or trideoxyhexose (primary (Made from 1-thymidine diphosphoglucose) to form a glycoside of a simple polyketide. All other tailoring reactions contain common cofactors that are available in most bacterial cells. Therefore, S. erythraea can provide all or most of the starting material; some of the specialized starting materials required for a particular polyketide are introduced by genetic engineering.
[0051]
The DEBS gene from a Saccharopolyspora erythraea erythromycin overproducer can be exchanged with a heterologous PKS from a non-overproducing strain. Enhanced production of metabolites created by the introduced PKS gene can demonstrate that the host actually contains factors for metabolite overproduction that can be developed for the production of other polyketides. Heterologous genes The native DEBS gene can first be deleted prior to introduction into the erythraea overproducing strain. This was accomplished by a two-step homologous recombination procedure, as described in more detail below. The sequence flanking the DEBS gene (approximately 1.5 kb) was amplified by PCR and cloned into a suicide vector with a selectable marker (for apramycin resistance). This strain was transformed with a single crossover selected by using a plasmid and a selectable marker. Colonies were grown without selection and screened for loss of apramycin resistance indicating double crossover recombination. Double-crossing candidate genotypes were confirmed by analysis using PCR, loss of erythromycin production, and Southern blot hybridization. One of the strains thus confirmed was named K97-71.
[0052]
S. erythraea K97-71 contains chromosomal deletions of three eryA genes and insertion of the xylE gene from Pseudomonas aeruginosa in place in the chromosome. To make this strain, plasmid pKOS97-49b was first constructed as follows. Two fragments flanking the eryA gene are S. cerevisiae. PCR amplification from erythraea genomic DNA using primers as follows (SphI, HindIII, BamHI and EcoRI restriction sites are underlined):
eryAI left flank forward direction:
5'-TTT GCATGC GGCCACGCGCCACGTCGTGAACC,
eryAI left flank reverse direction:
5'-TT AAGCTT CATATTCCCCCTACTCGACACCAC;
eryAIII right flank forward direction:
5'-TTT GGATCC GGCGGAGGGAATACATGACCACGAC,
eryAIII right flank reverse direction:
5'-TTTTGAATTCCCGCTCGCTGAAGTCCAGGCT.
The two fragments were then cloned into pSET152 using the underlined restriction sites and corresponding sites in pSET152 (Bierman et al., 1992, Plasmid cloning vectors, incorporated herein by reference. for the conjugal transfer of DNA from Escherichia coli to Streptomyces spp., Gene 116: 43-49). The resulting plasmid was named pKOS97-49a.
The xylE gene was PCR amplified and cloned into the NdeI and XbaI sites of pKOS-97-49a to create pKOS97-49b. This plasmid no longer contains the phiC31 integrase gene and the attP locus from pSET152 and serves as a suicide vector for delivery by homologous recombination.
[0053]
Overproducing strain S. The protoplast of erythraea K1 was generated by standard procedures except that cells were grown in TSB medium and harvested after 3 days of growth (Hopwood et al., 1985, Genetic, incorporated herein by reference). Manifulation of Streptomyces: See A Laboratory Manual. The John Inns Foundation, Norwich, UK). Plasmid pKOS97-49b DNA was obtained from E. coli. Prepared from E. coli ET12567, unmethylated DNA was generated and used for protoplast transformation using standard procedures except using PEG3350 (Sigma) (see Hopwood et al., supra). Plates were covered with 1 mg apramycin and selected for plasmid integration by homologous recombination. Apramycin resistant colonies were analyzed by Southern hybridization to confirm a single crossing at the expected location. One colony was selected to perform the double crossing shown below. The strain was IT agar (5 g glucose per liter, 5 g tryptone, 0.5 g betaine hydrochloride, 5 g corn starch, 1 g corn step liquor (50%), 200 mg MgSO 4 ・ H 2 O, 2 mg ZnSO 4 _7H 2 O, 0.8 mg CuSO 4 _5H 2 O, 0.2 mg CoCl 2 _6H 2 O, 4 mg FeSO 4 _7H 2 O, 80 mg CaCl 2 _6H 2 O, 150mg KH 2 PO 4 , 10 g NaCl, 20 g agar) until they were fully spore grown. Spores were collected, diluted on IT plates, and single colonies were screened for apramycin resistance deficiency. One apramycin sensitive colony that did not produce erythromycin was isolated. Double crossing was confirmed by Southern hybridization. This strain was designated as S. It was named erythraea K97-71.
[0054]
Strain K97-71 is a global overproduction host of the present invention that can insert PKS genes for other non-6-dEB polyketides. Because of their large size (30 kb or more) it can be difficult to move a complete set of PKS genes at a time, so its construction can be a series of 2-3 homologous pairs if necessary It can be divided into replacement steps. The picromycin CKS gene serves as an illustration of this aspect of the invention. Picromycin PKS is related to DEBS but produces significantly different compounds. Picromycin PKS synthesizes narbonolide (similar to 6-dEB except that there is no carbon 10 methyl group, a double bond between carbon 10 and 11 and a carbon 3 ketone). These are due to differences in modules 2 and 6 of picromycin PKS. The AT domain of PKS module 2 incorporates acetate instead of propionate, has additional dehydratase (DH) activity in module 2, and no ketoreductase (KR) domain in module 6. Also, the construction of picromycin and DEBS PKS is similar except that module 5 and module 6 of picromycin are divided into two ORFs. The amino acid sequence similarity between the two PKSs is about 40%. At the same time, these characteristic features of picromycin PKS make it an ideal choice to explain that a modular PKS different from DEBS overproduces polyketides when picromycin PKS is transferred to an erythromycin overproducing organism.
[0055]
To introduce a heterologous PKS gene, a plasmid containing an attP binding site can be used. Alternatively, the double recombination procedure described above can be used. Once complete PKS is introduced, the strain is analyzed for production of metabolites. Because the erythromycin deoxysugar biosynthetic gene and glycosyltransferase gene remain intact, depending on the activity of the glycosyltransferase present in the ery gene cluster, the polyketide aglycone (ie, narbonolide), the desosaminylated derivative (narvo) It is possible that either or both of (mycin) may be produced. In addition, either C-6 or C-12 hydroxylation reactions can occur. The total amount of polyketide produced in the parent strain is directly compared to the production level of erythromycin A under similar conditions to indicate overproduction.
[0056]
Other PKS genes can be easily introduced into the strain K97-71 megalomycin PKS gene (PCT patent application number US 00/27433, filed Oct. 4, 2000, incorporated herein by reference). And oleandolide PKS gene (see PCT Publication No. 00/026349, incorporated herein by reference), but is not limited thereto. This host can also be used for the production of polyketides related only to erythromycin, such as FK506 and epothilone. This also ensures the production of a unique substrate for the PKS enzyme (eg 2-ethyl malonate or 2-hydroxymalonate) or modifies the polyketide backbone as it is formed (eg dehydration) (Or oxidation) with the introduction of certain non-PKS genes to provide the enzyme. In addition, various promoters (eg, the act promoter from the erythromycin overproducing strain, ermE * Any one of the promoter and eryA promoter) can be used to drive the expression of the heterologous PKS gene cluster.
(Example 6)
(Construction of S. erythraea strain containing PhiC31 binding site)
The Saccharopolyspora erythraea strain does not contain the chromosomal DNA sequence that actually corresponds to the binding site sequence of phiC31. Thus, the efficiency of binding to plasmids derived from phiC31 is not high with such strains, and introduction of very large plasmids into such strains can be difficult if not impossible. As a result, the present invention provides various polyketide producing strains (including but not limited to S. erythraea strains) that have been improved by inserting phiC31 binding site sequences into the chromosomal DNA of the polyketide producing strain.
[0057]
S. erythraea K24-1 is a chromosomal deletion of three eryA genes as well as the attB locus for Streptomyces phage phiC31 from Streptomyces lividans, then ermE * Includes insertion in place of the promoter. To create this strain, plasmid pKOS134-04 was first constructed as follows. The phiC31 attB site was inserted between the Hind III and BamH I sites of pKOS97-49a using the following two annealed oligonucleotides:
Forward direction:
5′-AGCTTCGGGGTGCCAGGGCGTGCCCTTGGGCTCCCCGGGGCGGTAA-CTAGTG,
and
Reverse direction:
5′-GATCCCACTTAGTACCGCGCCGGGGAGCCCAAGGGCACGCCCTGG-CACCCCGA.
This plasmid was named pKOS024-87. Plasmid pKOS0134-04 is the ermE between the resulting SpeI and BamHI sites of pKOS024-87. * It was generated by inserting an approximately 300 bp NheI / BamHI fragment containing the promoter.
[0058]
Plasmid pKOS0134-04 was constructed from E. coli as described below. Via a bond from Coli. erythraea K97-71. Screening for single and double crossings by homologous recombination was performed as described above. A double crossover strain confirmed by Southern hybridization was obtained, and S. cerevisiae was obtained. It was named erythraea K24-1.
S. erythraea strains K97-71 and K24-1 are prepared by collecting spores from strains grown on 1-2 IT plates, filtering the spores with sterile cotton and resuspending with 1 ml of 20% glycerol. It became cloudy. The spore suspension was stored at about 20 ° C. A 20 μL aliquot of the spore suspension was added to 5 ml of 2 × YT and incubated at 30 ° C. with shaking. After 1 hour, spores were collected by centrifugation (recipient cells). Donor cells, E. coli / PUZ8002 was prepared by transforming with pSET152 or pKOS97-113 or pKOS97-69a and selecting only apramycin resistance. Plasmids pKOS97-113 and pKOS97-69a are derivatives of pSET152 containing an approximately 30 kb insert carrying the megAI-III and eryAI-III genes, respectively.
[0059]
Several colonies were picked from the primary transformation plate and used to inoculate 5 ml of LB containing chloramphenicol (10 μg / mL), kanamycin (100 μg / mL), apramycin (60 μg / mL). Cells were grown at 37 ° C. for 3-4 hours (0.4-0.6 OD600), collected by centrifugation, washed with 5 ml LB, centrifuged, and resuspended in 100 μL LB. Conjugate transfer between donor cells and recipient cells was performed by resuspending recipient cells in 100 μL of donor suspension and incubating at 37 ° C. for 15-30 minutes without shaking. Cells were plated on R5 plates containing 50 μg / mL nalidixic acid and incubated at 34 ° C. for 16 hours. The plates were then covered with 3 ml soft nutrient agar containing 1 mg nalidixic acid and 2 mg apramycin. Conjugated bodies were observed after an additional 48 hours of incubation.
[0060]
The joining frequency is approximately 5 × 10-5 for K24-1 :: pSET152, 3 × 10-7 for K97-71 :: pSET152, 1 × 10-6 for K24-1 :: pKOS97-113, and K97-71. :: pKOS97-114, which was less than 1 × 10−7.
[0061]
Plasmid integration of the K24-1 :: pSET152 conjugation body and the K97-71 :: pSET152 conjugation body into the chromosome was confirmed as follows. Genomic DNA was prepared from several conjugation completes of each strain, digested with BamHI or EcoRI, religated, and E. coli. Used to transform E. coli. Apramycin was used to select the recircularized DNA containing the pSET152 vector integrated into the chromosome and the attB / attP junction sequence. Plasmid DNA was prepared from apramycin resistant colonies and the attB / attP junction was sequenced using primers annealed upstream of the attP portion in pSET152. In the four separate K24-1 :: pSET152 conjugants analyzed, pSET152 is integrated into four different chromosomal locations, which can be found in other Streptomyces spp. It did not show any similarity with the known attB site. In the seven analyzed K24-1 :: pSET152 conjugates analyzed, pSET152 was incorporated into the engineered phiC31 attB in each case.
[0062]
These results indicate that integration of the vector mediated by integrase phiC31 results in S. cerevisiae without an engineered attB site. erythraea spp. Are not site-specific and occur relatively infrequently. The placement of the appropriate attB or attP sites in the chromosome, as in the example shown in this example, significantly increases the frequency of conjugation of phiC31-based vectors, resulting in site-specific integration.
[0063]
While the invention has been described with the description and examples described, those skilled in the art will appreciate that the invention can be practiced in various embodiments, and the foregoing description and examples are for purposes of illustration, It is understood that the claims are not limited.
[Brief description of the drawings]
[Figure 1]
FIG. 1 shows the modular organization of the three proteins that make up DEBS (DEBS1, DEBS2, and DEBS3), intermediates formed at each step in the synthesis of 6-deoxyerythronolide B (6-dEB), and 6 -Shows important steps in erythromycin biosynthesis, including the structure of erythromycin resulting from correction of dEB (erythromycin C not shown).
[Figure 2]
FIG. 2 shows the replacement of the KR domain of module 2 with the KR and DH domains of module 4 of rapamycin PKS in DEBS and the action of the resulting recombinant PKS and polyketide modifying enzyme in Saccharopolyspora erythraea , Indicate.
[Fig. 3]
FIG. 3 shows the production of erythromycin derivatives by direct biosynthesis from precursors and formed them by providing them to the Saccharopolyspora erythraea host cells of the invention containing two diketides (compounds 4 and 5) and a KS1 ° mutation. The product (compounds 6-11) is shown.

Claims (20)

第1ポリケチドを産生するための方法であって、該方法が第2ポリケチドの産生のために最適化された細胞中の該第1ポリケチドを産生するポリケチドシンターゼ(PKS)をコードするPKS遺伝子を発現する工程を包含する、方法。A method for producing a first polyketide, wherein the method expresses a PKS gene encoding a polyketide synthase (PKS) producing the first polyketide in a cell optimized for the production of a second polyketide A method comprising the steps of: 前記第1ポリケチドが、前記第2ポリケチドの誘導体であって、そして前記方法が、該第1ポリケチドを産生するPKSを発現する遺伝子である過剰産生細胞中のPKS遺伝子を改変する工程をさらに包含する、請求項1に記載の方法。The first polyketide is a derivative of the second polyketide, and the method further comprises modifying a PKS gene in an overproducing cell that is a gene expressing PKS that produces the first polyketide. The method of claim 1. 前記方法が、過剰産生細胞中で、該第1ポリケチドを産生するPKSを発現する遺伝子を導入する工程をさらに包含する、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein the method further comprises the step of introducing a gene expressing PKS that produces the first polyketide in an overproducing cell. 前記第2ポリケチドを産生するPKSを発現する遺伝子が、該第1ポリケチドを産生するPKSをコードする遺伝子の導入前または後に欠失されるかまたは別の方法で不活化される、請求項1に記載の方法。The gene expressing PKS producing said second polyketide is deleted or otherwise inactivated before or after introduction of the gene encoding PKS producing said first polyketide. The method described. 前記過剰産生細胞が、前記第2ポリケチドを1g/Lを超える水準で産生する、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein the overproducing cells produce the second polyketide at a level greater than 1 g / L. 前記過剰産生細胞が、前記第2ポリケチドを10g/Lを超える水準で産生する、請求項1に記載の方法。The method of claim 1, wherein the overproducing cells produce the second polyketide at a level greater than 10 g / L. 前記過剰産生細胞が、前記第1ポリケチドを10mg/Lを越える水準で産生する、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein the overproducing cells produce the first polyketide at a level greater than 10 mg / L. 前記過剰産生細胞が、前記第1ポリケチドを100mg/Lを越える水準で産生する、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein the overproducing cells produce the first polyketide at a level greater than 100 mg / L. 請求項1に記載の方法において有用な過剰産生宿主細胞であって、前記第2ポリケチドをコードする遺伝子が欠失され、そして該第1ポリケチドを産生するPKSをコードする遺伝子が、容易に導入されおよび発現され得る、過剰産生宿主細胞。An overproducing host cell useful in the method of claim 1, wherein the gene encoding the second polyketide is deleted and the gene encoding PKS producing the first polyketide is easily introduced. And an overproducing host cell that can be expressed. 請求項9に記載の宿主細胞であって、エリスロマイシンを2.5g/Lを越える水準で産生するSaccharopolyspora erythraea宿主細胞から誘導され、そしてeryA遺伝子の全てまたは実質的に全ての欠失によって改変される、宿主細胞。10. A host cell according to claim 9, wherein the host cell is derived from a Saccharopolyspora erythraea host cell producing erythromycin at a level above 2.5 g / L and is modified by all or substantially all deletions of the eryA gene , Host cells. 請求項9に記載の宿主細胞であって、エリスロマイシンを2.5g/Lを越える水準で産生するSaccharopolyspora erythraea宿主細胞から誘導され、DEBS PKSのモジュール1のケトシンターゼ(KS)ドメインの突然変異不活性化によって改変される、宿主細胞。10. A host cell according to claim 9, which is derived from a Saccharopolyspora erythraea host cell producing erythromycin at a level of more than 2.5 g / L, and is mutagenic inactive in the ketosynthase (KS) domain of module 1 of DEBS PKS. A host cell that is modified by conversion. 10,11−アンヒドロ−6−デオキシエリスロノリドBを産生する、請求項9に記載の宿主細胞。10. The host cell according to claim 9, which produces 10,11-anhydro-6-deoxyerythronolide B. 誘導された宿主細胞からの細胞に関連して、1以上のattB部位またはattP部位を含むように改変された組換え宿主細胞。A recombinant host cell that has been modified to contain one or more attB or attP sites in relation to cells from the derived host cell. 請求項13に記載の細胞であって、高水準でポリケチドを産生するための変異誘発によって最適化された細胞から誘導される細胞。14. The cell of claim 13, wherein the cell is derived from a cell optimized by mutagenesis to produce polyketides at a high level. Saccharopolyspora erythraea宿主細胞である、請求項13に記載の細胞。14. The cell of claim 13, which is a Saccharopolyspora erythraea host cell. Saccharopolyspora erythraea NRRL2338から誘導される、請求項15に記載の細胞。16. The cell of claim 15, which is derived from Saccharopolyspora erythraea NRRL2338. エリスロマイシンを2.5g/Lを越えて産生する細胞から誘導される、請求項15に記載の細胞。16. The cell of claim 15, wherein the cell is derived from a cell that produces erythromycin in excess of 2.5 g / L. 請求項13に記載の細胞の転換を獲得するための方法であって、インテグラーゼ存在下、前記細胞と、相補的結合部位を構成するベクターを含む細胞とを結合する工程を包含する、方法。14. A method for obtaining the conversion of a cell according to claim 13, comprising the step of combining said cell with a cell comprising a vector constituting a complementary binding site in the presence of an integrase. 請求項18に記載の方法によって産生される、細胞。A cell produced by the method of claim 18. 前記結合工程の前に、前記細胞によって産生されないポリケチドを産生する、請求項19に記載の細胞。20. The cell of claim 19, wherein the cell produces a polyketide that is not produced by the cell prior to the binding step.
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